硫素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)產(chǎn)油尖狀柵藻光合生理及生化組成的影響

王倩雅 張 瑩 李?lèi)?ài)芬 張成武

(暨南大學(xué)水生生物研究中心, 廣州 510632)

硫素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)產(chǎn)油尖狀柵藻光合生理及生化組成的影響

王倩雅 張 瑩 李?lèi)?ài)芬 張成武

(暨南大學(xué)水生生物研究中心, 廣州 510632)

以產(chǎn)油尖狀柵藻(Scenedesmus acuminatus)為實(shí)驗(yàn)材料, 在持續(xù)300 μmol photons/(m2·s)光照條件下, 選用3種不同初始Na2SO4濃度(2.0S、1.0S對(duì)照、0.25S)的改良BG-11培養(yǎng)基, 在Φ3.0 cm×60 cm光生物反應(yīng)器中進(jìn)行通氣培養(yǎng), 研究分析硫素營(yíng)養(yǎng)水平與尖狀柵藻產(chǎn)油過(guò)程光合生理和生化組成的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 初始硫素濃度對(duì)尖狀柵藻生長(zhǎng)有顯著的影響(P<0.05), Na2SO4初始濃度為2.0S實(shí)驗(yàn)組的生物量最高, 為7.47 g/L, 顯著高于1.0S組(6.43 g/L)和0.25S組(4.17 g/L)(P<0.05), 說(shuō)明加富硫素營(yíng)養(yǎng)可促進(jìn)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。尖狀柵藻細(xì)胞的葉綠素a、b以及總類(lèi)胡蘿卜素含量變化均與培養(yǎng)基中初始硫素營(yíng)養(yǎng)水平呈正相關(guān)。在培養(yǎng)初期低硫營(yíng)養(yǎng)有利于藻細(xì)胞快速積累碳水化合物, 0.25S實(shí)驗(yàn)組碳水化合物含量最高, 占干重的44.37%, 比1.0S和2.0S組分別高出14.43%和13.78%, 培養(yǎng)后期總碳水化合物和蛋白含量均發(fā)生不同程度的降低, 轉(zhuǎn)向大量累積油脂, 0.25S實(shí)驗(yàn)組的總脂含量最高, 達(dá)55.15% DW, 顯著高于1.0S和2.0S組(P<0.05)。藻細(xì)胞的光合放氧速率、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率(Yield)以及相對(duì)電子傳遞效率(ETR)均與培養(yǎng)液的初始硫素濃度呈正相關(guān), 在整個(gè)培養(yǎng)周期中呈先上升后下降的趨勢(shì)。77 K低溫?zé)晒怙@示, 尖狀柵藻在培養(yǎng)初期2個(gè)光系統(tǒng)之間存在光能調(diào)配現(xiàn)象。上述結(jié)果說(shuō)明, 尖狀柵藻細(xì)胞的生長(zhǎng)、油脂積累和光合生理狀況與硫素營(yíng)養(yǎng)水平直接相關(guān)。

尖狀柵藻; 硫素營(yíng)養(yǎng); 油脂積累; 光合生理參數(shù)

微藻作為水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)者, 分布廣泛, 種類(lèi)繁多, 在食品、能源、環(huán)境等方面具有廣泛應(yīng)用意義[1]?，F(xiàn)階段產(chǎn)油微藻積累油脂制備生物柴油, 已成為開(kāi)發(fā)新型清潔可替代化石能源的研究熱點(diǎn)。如何提高藻細(xì)胞單位油脂的產(chǎn)量, 已成為利用微藻規(guī)?；a(chǎn)生物燃料及高附加值產(chǎn)品的重要前提。

微藻油脂的積累與光合作用密切相關(guān), 光合過(guò)程中產(chǎn)生的NAD(P)H和固定的CO2是油脂合成的重要基礎(chǔ)[2]。硫素是微藻生長(zhǎng)過(guò)程中不可或缺的重要元素, 廣泛存在于生物體的蛋白質(zhì)、油脂、碳水化合物等一些代謝產(chǎn)物中[3], 介導(dǎo)葉綠素、谷胱甘肽、輔酶等合成[4], 同時(shí)作為含硫蛋白和類(lèi)囊體膜上硫代異鼠李糖甘油二酯(SQDG)的重要組成元素[5,6], 對(duì)維持穩(wěn)定的光合膜結(jié)構(gòu), 參與調(diào)控光合產(chǎn)能代謝途徑有重要的影響。

硫限制或缺乏對(duì)微藻生長(zhǎng)代謝的影響主要體現(xiàn)在, 細(xì)胞生長(zhǎng)速率減緩, 含硫氨基酸和蛋白含量降低; 葉綠素含量減少, 類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 光合作用能力減弱; 細(xì)胞內(nèi)代謝途徑重新調(diào)整, 能量更多流向易于儲(chǔ)存的油脂進(jìn)行累積等方面[7,8]。費(fèi)小雯等[9]報(bào)道Heynigia riparia CE14-2在硫素缺乏下細(xì)胞生長(zhǎng)受阻, 各組分中蛋白、糖和葉綠素等含量均發(fā)生不同程度的降低, 胞內(nèi)油脂出現(xiàn)累積, 光合效率受到影響。Koichi等[10]提出萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)硫素缺乏早期階段, 光合膜脂SQDG含量減少, 類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變, 導(dǎo)致光系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Giordano等[11]也證實(shí), 在硫限制條件下杜氏鹽藻(Dunaliella salina)光合效率的降低與Rubisco酶蛋白和葉綠素a/b結(jié)合蛋白大幅下降相關(guān), 且胞內(nèi)的碳、氮、硫等代謝途徑出現(xiàn)重新調(diào)整。Mizuno等[12]研究發(fā)現(xiàn)小球藻屬(Chlorellaceae spp.)在硫缺乏早期階段大量累積的淀粉顆粒隨后期油滴的變大逐漸減少, 碳和能量轉(zhuǎn)為以油脂的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。Takeshita等[13]也提出小球藻(Chlorella viscosa)與普通小球藻(Chlorella vulgaris)在硫缺乏下不僅促進(jìn)胞內(nèi)油脂積累, 而且還促進(jìn)了碳鏈長(zhǎng)度超過(guò)C20脂肪酸累積比例的增長(zhǎng)。由此可知, 微藻的硫素營(yíng)養(yǎng)水平影響著細(xì)胞油脂積累和生理狀態(tài), 從硫素不同營(yíng)養(yǎng)水平研究微藻的生長(zhǎng)、生化組分動(dòng)態(tài)變化和細(xì)胞光合生理狀態(tài),對(duì)于全面了解微藻光合產(chǎn)油代謝具有理論意義。

尖狀柵藻(S.acuminatus)是近期分離純化出的一株淡水產(chǎn)油綠藻, 生長(zhǎng)速度快, 油脂累積率高, 能有效的去除廢水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素, 具有高度研究?jī)r(jià)值[14]。本文以尖狀柵藻(S.acuminatus)為研究材料, 分別探討硫加富和硫限制下藻細(xì)胞的生長(zhǎng),油脂的累積, 蛋白質(zhì)、碳水化合物和色素等組份的含量及其變化規(guī)律, 以葉綠素?zé)晒鈪?shù)指示光系統(tǒng)的生理狀態(tài), 旨在了解硫素營(yíng)養(yǎng)對(duì)微藻光合生理和代謝的影響, 為進(jìn)一步探究微藻油脂積累的光合營(yíng)養(yǎng)生理機(jī)制提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

尖狀柵藻(S.acuminatus)采自暨南大學(xué)南湖,由暨南大學(xué)水生生物研究中心微藻生物技術(shù)與生物能源實(shí)驗(yàn)室保藏。

以改良BG-11為基礎(chǔ), 將培養(yǎng)基中MgSO4、ZnSO4和CuSO4分別由MgCl2、ZnCl2和CuCl2代替。實(shí)驗(yàn)設(shè)置2.0S、1.0S、0.25S(將原改良BG-11含硫量(換算成Na2SO4為43.4 mg)設(shè)為對(duì)照組, 定為1.0S), 用Na2SO4調(diào)節(jié)硫素濃度, 1 L無(wú)硫BG-11培養(yǎng)基中分別添加86.8、43.4、10.85 mg的Na2SO4(即為2.0S、1.0S、0.25S)。將藻細(xì)胞培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)中期, 3000 r/min低速離心5min。初始接種密度OD750為0.6, 采用Φ3.0 cm×60 cm的柱狀光生物反應(yīng)器培養(yǎng), 每組設(shè)置3個(gè)平行, 培養(yǎng)溫度為(25±1)℃,光照強(qiáng)度約為300 μmol photons/(m2·s), 通入含1% CO2的壓縮空氣, 培養(yǎng)周期為18d。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

生物量和細(xì)胞密度的測(cè)定每天取5 mL藻液用預(yù)烘干至恒重的0.45 μm微孔濾膜抽濾, 置于105℃烘箱烘至恒重后稱(chēng)重, 計(jì)算單位體積藻液的干重(Dry weight, DW)。定時(shí)取藻液樣品, 利用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行細(xì)胞密度的測(cè)定。

總脂含量的測(cè)定及產(chǎn)率的計(jì)算總脂測(cè)定方法改良自Khozin等[15], 取100 mg凍干藻粉加入2 mL10%二甲基亞砜-甲醇(v鯰v=1鯰9)溶液, 50℃水浴、冰浴分別抽提1.5h后, 離心收集上清液于干燥潔凈的玻璃小瓶中, 藻渣加入4 mL乙醚-正己烷溶液 (v鯰v=1鯰1), 再冰浴抽提1.5h, 同樣離心收集上清液至上述玻璃小瓶中, 重復(fù)上述步驟直至藻渣變白。收集所有抽提液, 加入4 mL蒸餾水靜置分相,移取有機(jī)相至另一小玻璃瓶, 氮?dú)獯蹈蓾饪s, 用乙醚洗滌并轉(zhuǎn)移至預(yù)先稱(chēng)重的2 mL塑料離心管(管重記為M1)中, 用氮?dú)獯蹈芍梁阒?記為M2)。

總脂含量(凍干藻粉的百分比)=(M2–M1)·100%/凍干藻粉的重量。

單位體積總脂產(chǎn)率[g/(L·d)]=生物量(g/L)×總脂含量(%)/培養(yǎng)天數(shù)(d)

總碳水化合物含量的測(cè)定參照Dubios等[16]的硫酸-苯酚法, 取10 mg干燥脫脂藻渣, 加入5 mL 0.5 mol/L H2SO4, 于100℃恒溫水浴4h。3000 r/min離心5min, 將上清移至50 mL的容量瓶中, 用去離子水洗滌沉淀并離心轉(zhuǎn)移上清液至容量瓶(重復(fù)兩次), 定容至50 mL。取1 mL提取液, 補(bǔ)水至2 mL, 迅速加入6%苯酚及濃H2SO4搖勻, 冷卻后于490 nm下測(cè)定吸光值。以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物制作標(biāo)準(zhǔn)曲線, 利用標(biāo)準(zhǔn)方程計(jì)算總碳水化合物含量。

可溶性蛋白含量的測(cè)定用0.5 mol/L NaOH于80℃反復(fù)抽提脫脂藻渣, 直至抽提完全。提取液采用lowry法蛋白含量測(cè)定試劑盒(上海荔達(dá)生物科技有限公司)進(jìn)行測(cè)定。

色素含量的測(cè)定每隔24h取藻液1 mL, 3000 r/min低速離心5min后棄上清, 加入10 mL的甲醇, 置于恒溫水浴(70℃)避光提取至沉淀變?yōu)榛野咨? 相同條件離心后保留上清, 采用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量其在波長(zhǎng)470 nm (A470)、652 nm (A652)、665 nm (A665)、750 nm (A750)的吸光度, 葉綠素及類(lèi)胡蘿卜素(mg/L)含量計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[17]如下:

Chlorophyll a=16.72×(A665–A750)–9.16× (A652–A750)

Chlorophyll b=34.09×(A652–A750)– 15.28×(A665–A750)

Carotenoids=(1000×A470–1.63×Chl.a–104.96× Chl.b)/221

光合放氧速率和暗呼吸速率的測(cè)定采用Clark型液相氧電極(Hansatech Oxygraph, 英國(guó))測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)微藻溶液中溶氧量的變化。取適量新鮮藻液用100 mmol/L的碳酸氫鈉(NaHCO3)溶液調(diào)至其OD750為0.5, 暗處理30min, 分成2份分別用于干重測(cè)定和放氧速率測(cè)定。測(cè)量之前, 首先對(duì)氧電極的飽和氧曲線和零氧曲線的進(jìn)行校準(zhǔn), 然后對(duì)其靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)定時(shí), 以LED光源300 μmol photons/(m2·s)的光強(qiáng)照射微藻, 進(jìn)行光合反應(yīng), 測(cè)定10min內(nèi)氧氣平均釋放速率, 即為光合放氧速率[μmol O2/(mg·DW·min)]; 關(guān)閉光源, 暗反應(yīng)10min,測(cè)定藻液中氧氣消耗平均速率, 即為暗呼吸速率[μmol O2/(mg·DW·min)]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)和低溫?zé)晒夤庾V測(cè)定參考梁英等[18]測(cè)定方法并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn), 測(cè)定儀器為XE-PAM脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(Walz, 德國(guó))。將樣品調(diào)為同一吸光度(A750=0.5)并暗處理30min,加入四面透光比色皿置于熒光儀中, 打開(kāi)測(cè)量光[光合有效輻射約為8 μmol photons/(m2·s)], 對(duì)初始熒光F0進(jìn)行測(cè)量。然后打開(kāi)光化光[光合有效輻射為368 μmol photons/(m2·s)], 照射5min, 再打開(kāi)飽和脈沖光激發(fā), 測(cè)定藻細(xì)胞不同生長(zhǎng)時(shí)期光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的Yield、ETR、Fv/Fm等光合參數(shù)。

采用日立F-4500型熒光分光光度計(jì)測(cè)定藻細(xì)胞在77 K的熒光發(fā)射光譜, 激發(fā)波長(zhǎng)為436 nm, 掃描范圍為640—750 nm, 掃描速度為240 nm/min, 狹縫寬度為2 nm。

數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 并用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析及相關(guān)性分析, P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 不同硫濃度下尖狀柵藻的生長(zhǎng)

由圖 1可知, 尖狀柵藻在培養(yǎng)初期階段經(jīng)歷一個(gè)短暫的延滯期后進(jìn)入指數(shù)期生長(zhǎng), 生物量從培養(yǎng)第3天開(kāi)始隨Na2SO4初始濃度的不同而呈現(xiàn)差異。2.0S實(shí)驗(yàn)組的生物量在培養(yǎng)前9天內(nèi)迅速增加, 隨后緩慢進(jìn)入平臺(tái)期, 至培養(yǎng)第18天, 生物量達(dá)到最大, 為7.47 g/L。顯著高于對(duì)照組(1.0S組) (P<0.05)。這說(shuō)明加富硫素營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)微藻生長(zhǎng), 有利藻細(xì)胞的生物量累積。0.25S實(shí)驗(yàn)組在培養(yǎng)前3天細(xì)胞快速生長(zhǎng), 生長(zhǎng)速度在第1至第2天略高于1.0S組, 但差異不顯著。隨著培養(yǎng)基中硫素被消耗殆盡, 0.25S組藻細(xì)胞生長(zhǎng)從培養(yǎng)第3天開(kāi)始受到嚴(yán)重限制, 生物量增加減緩, 至培養(yǎng)第18天, 生物量始終顯著低于對(duì)照組(1.0S組)(P<0.05), 為4.17 g/L, 且細(xì)胞密度也顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。這說(shuō)明在硫限制條件下尖狀柵藻的生長(zhǎng)在培養(yǎng)初期受抑制, 藻細(xì)胞積累生物量的能力減弱。

圖 1 不同初始硫濃度下尖狀柵藻生物量(a)和細(xì)胞密度的變化(b)Fig.1 Changes of biomass and cell density of S.acuminatus at different initial Na2SO4concentrations during cultivation

2.2 不同硫濃度下光合色素含量的變化

如圖 2所示, 尖狀柵藻在不同Na2SO4濃度下的色素含量變化均呈現(xiàn)先顯著上升后緩慢下降的趨勢(shì), 其含量與初始Na2SO4濃度的大小呈正相關(guān), 初始Na2SO4濃度越高, 色素合成增長(zhǎng)越快。在培養(yǎng)前4天, 色素含量迅速增加, 其中2.0S實(shí)驗(yàn)組(富硫組)顯著高于其他2個(gè)實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。這說(shuō)明加富硫素營(yíng)養(yǎng)有利于尖狀柵藻在初期階段快速合成大量的光合色素, 提高藻細(xì)胞捕獲光能的效率。在低硫條件下尖狀柵藻色素的合成受到顯著抑制, 整個(gè)培養(yǎng)周期中, 0.25S實(shí)驗(yàn)組色素含量始終顯著低于對(duì)照組(1.0S組)和富硫組(2.0S實(shí)驗(yàn)組)(P<0.05), 至培養(yǎng)第18天, 0.25S實(shí)驗(yàn)組的葉綠素a、b以及類(lèi)胡蘿卜素的含量分別僅占富硫組的7.92%、8.13%、15.25%。

2.3 不同硫濃度下主要生化組份的變化

在培養(yǎng)初期, 胞內(nèi)總脂含量較低, 僅占干重的15.95%, 而可溶性蛋白和碳水化合物含量分別占干重38.21%和24.98%。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi), 3個(gè)濃度組的藻細(xì)胞物質(zhì)組份總額穩(wěn)定維持在78%—82% DW, 且均表現(xiàn)為油脂累積持續(xù)增加, 碳水化合物和可溶性蛋白含量減少的趨勢(shì)(圖 3)。

圖 2 不同初始硫濃度下尖狀柵藻色素含量的變化Fig.2 Changes of pigment content of S.acuminatus at different initial Na2SO4concentrations during cultivation a.Chlorophyll a; b.Chlorophyll b; c.Carotenoids; d.Carotenoids/Chlorophyll

由圖 3a、圖 3d可知, 0.25S、1.0S、2.0S實(shí)驗(yàn)組的總脂含量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)均隨時(shí)相的推移不斷升高。0—3d油脂增長(zhǎng)緩慢, 圖 3a中2.0S實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組(1.0S組)在第3天出現(xiàn)略微的下降, 但很快又恢復(fù)增長(zhǎng)。培養(yǎng)在3—9d總脂含量增長(zhǎng)迅速,各濃度組在第9天單位體積油脂產(chǎn)率達(dá)到最大, 分別為0.1799、0.2419、0.2025 g/(L·d), 隨后出現(xiàn)降低, 導(dǎo)致9—18d總脂含量增長(zhǎng)變緩, 至培養(yǎng)第18天,油脂累積量均達(dá)到最大, 其中0.25S實(shí)驗(yàn)組的油脂含量均顯著高于對(duì)照組(1.0S)和2.0S實(shí)驗(yàn)組(P< 0.05), 分別占干重的55.15%、42.95%、42.85%, 說(shuō)明低硫條件有利于微藻油脂的累積。

由圖 3b可知, 0.25S、1.0S、2.0S實(shí)驗(yàn)組的碳水化合物含量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)均呈現(xiàn)先快速上升后緩慢下降的趨勢(shì), 均在培養(yǎng)第3天達(dá)到最大, 其中0.25S實(shí)驗(yàn)組碳水化合物含量最高, 占干重44.37%,顯著高于其他2組(P<0.05), 然對(duì)照組和2.0S實(shí)驗(yàn)組間差異不顯著, 分別占干重32.57%、33.07%。這說(shuō)明在低硫條件下尖狀柵藻在培養(yǎng)初期高效促進(jìn)碳水化合物合成。由圖 3c可知, 可溶性蛋白含量的變化在培養(yǎng)周期內(nèi)隨初始Na2SO4濃度的減少呈現(xiàn)梯度降低的趨勢(shì)。0.25S在培養(yǎng)第3天急劇降低了26.63% DW, 至培養(yǎng)周期結(jié)束降至5.57% DW, 顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。這說(shuō)明在低硫素條件下, 尖狀柵藻在培養(yǎng)初期蛋白合成嚴(yán)重受限, 藻細(xì)胞通過(guò)分解蛋白質(zhì)中一些含硫多肽或氨基酸來(lái)維持生長(zhǎng),所以蛋白含量顯著降低。

2.4 不同硫濃度下藻細(xì)胞光合參數(shù)的變化

從圖 4a、b中可以看出, 隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的光合速率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。各濃度組在培養(yǎng)第1天均出現(xiàn)急劇升高的現(xiàn)象,其中以2.0S組的光合速率最大, 為111.48 μmol O2/ (mg DW·min), 分別高出對(duì)照組和低硫組(0.25S) 16.06和82.34 μmol O2/(mg DW·min)。在培養(yǎng)的2—10d內(nèi)迅速降至最低, 對(duì)照組和低硫組(0.25S)的光合速率趨近于零, 而2.0S組以一個(gè)較低的速率維持正常的光合作用, 在培養(yǎng)周期內(nèi), 低硫組(0.25S)和對(duì)照組的光合速率始終低于2.0S實(shí)驗(yàn)組。暗呼吸速率變化趨勢(shì)與光合速率變化相似, 前期迅速升高, 在培養(yǎng)第1天達(dá)到最大, 隨后降至最低,趨于平緩, 以穩(wěn)定的暗呼吸速率維持藻細(xì)胞生命代謝活動(dòng)。

圖 3 不同初始硫濃度下尖狀柵藻主要生化組分的時(shí)相變化及總脂產(chǎn)率Fig.3 Changes of major biochemical components of S.acuminatus during cultivation and lipid productivity at different initial Na2SO4concentrations

葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為衡量細(xì)胞光合生理狀況的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn), 被廣泛應(yīng)用于微藻研究中[19]。從圖4c可知, 各濃度組藻細(xì)胞的最大光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm在培養(yǎng)第1天升高, 達(dá)到最大, 隨后均呈現(xiàn)迅速降低的趨勢(shì), 在培養(yǎng)的第2至第8天, 不同初始Na2SO4濃度組之間Fv/Fm值差異顯著(P<0.05), 2.0S實(shí)驗(yàn)組的Fv/Fm值大于對(duì)照組和0.25S組(低硫組)。隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng), 對(duì)照組和2.0S實(shí)驗(yàn)組的Fv/Fm持續(xù)降低, 而低硫組(0.25S)的值從培養(yǎng)第8天開(kāi)始上升。Yield表示光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)實(shí)際量子產(chǎn)量, 它反映PSⅡ反應(yīng)中心在光照下的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率, 從圖 5d可見(jiàn), 尖狀柵藻Yield在不同初始Na2SO4濃度下的變化均呈現(xiàn)先上升后下降、最后趨于穩(wěn)定。在培養(yǎng)第1天, Yield值迅速上升, 達(dá)到最大值后便顯著降低, 2.0S組和對(duì)照組在培養(yǎng)第6至第8天趨于平穩(wěn), 而0.25S組由于培養(yǎng)初期硫素耗盡,其Yield在第3天降至最低后便達(dá)到穩(wěn)定。培養(yǎng)前6d內(nèi), 0.25S組的Yield值相對(duì)較小。而第6天后, 低硫組的Yield值出現(xiàn)略微升高, 在培養(yǎng)后期逐漸大于對(duì)照組和2.0S組。ETR作為PSⅡ反應(yīng)中心的電子流通量指標(biāo), 表示其電子的傳遞速率, 從圖 5e可知, 不同初始Na2SO4濃度下尖狀柵藻的電子傳遞速率ETR的變化趨勢(shì)與Yield基本一致, 培養(yǎng)初期快速升高, 隨后迅速下降, 最后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。3個(gè)硫濃度組尖狀柵藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的時(shí)相變化表明, 藻細(xì)胞PSⅡ活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低, 其原因可能是硫素的不斷消耗導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心間接或直接受損。

2.5 不同硫濃度下77 K低溫?zé)晒夤庾V特征變化

尖狀柵藻在不同初始Na2SO4濃度下77 K低溫?zé)晒獍l(fā)射光譜在685和714 nm處有2個(gè)發(fā)射峰, 分別來(lái)自PSⅡ外周天線和PSⅠ蛋白復(fù)合物。從圖 5a、b可知, 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng), 各熒光發(fā)射峰的相對(duì)高度均發(fā)生變化, 其中2.0S實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在第3天均出現(xiàn)F714峰值大于F685峰值的現(xiàn)象。培養(yǎng)至第9天, 兩組熒光峰值的變化出現(xiàn)分歧, 2.0S實(shí)驗(yàn)組持續(xù)維持F714高于F685的狀態(tài), 而對(duì)照組的F685峰值迅速升高, 出現(xiàn)大于F714的現(xiàn)象, 比2.0S組早一步進(jìn)入F685高于F714的狀態(tài)。圖 5c中0.25S實(shí)驗(yàn)組在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)F685峰值均大于F714峰值, 相對(duì)熒光強(qiáng)度隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈先增后降的趨勢(shì), F714處熒光峰最后逐漸消失。

圖 4 不同初始硫濃度下尖狀柵藻光合參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Changes of photosynthetic parameters of S.acuminatus during cultivation at different initial Na2SO4concentrations

圖 5d為77K低溫?zé)晒獍l(fā)射峰F714與F685比值變化, 更直觀反映了尖狀柵藻在3個(gè)硫濃度下77 K熒光發(fā)射光譜峰隨著時(shí)間推移的變化情況。2.0S組和對(duì)照組的F714/F685變化在培養(yǎng)周期內(nèi)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì), 在培養(yǎng)第3天達(dá)到最大值, 與初始狀態(tài)相比, 分別升高了1.241、0.384, 隨后出現(xiàn)降低, 2.0S組一直維持較高的F714/F685狀態(tài)。而0.25S組F714/F685變化呈持續(xù)下降, 在第6天降至最低后保持平穩(wěn)。

3 討論

硫素作為光合生物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中繼氮、磷、鉀后第四位必需的中量營(yíng)養(yǎng)元素, 其營(yíng)養(yǎng)水平直接影響光合生物的生長(zhǎng)狀態(tài)和油脂產(chǎn)量, 對(duì)于低等的單細(xì)胞藻類(lèi), 生長(zhǎng)代謝過(guò)程受硫素營(yíng)養(yǎng)的影響更為顯著。然目前以氮素或磷素等作為營(yíng)養(yǎng)限制因子進(jìn)行微藻產(chǎn)油機(jī)制研究的報(bào)道較多[20—22]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置3個(gè)不同初始Na2SO4濃度來(lái)研究尖狀柵藻的產(chǎn)油生長(zhǎng)代謝, 結(jié)果顯示, 藻細(xì)胞在2.0S實(shí)驗(yàn)組下生物量累積高, 生長(zhǎng)速度快, 細(xì)胞密度顯著高于對(duì)照組和0.25S實(shí)驗(yàn)組(P<0.05), 說(shuō)明加富的硫素營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)尖狀柵藻細(xì)胞的快速生長(zhǎng)和繁殖。而低硫組(0.25S組)在培養(yǎng)1—2d內(nèi)出現(xiàn)生物量與細(xì)胞分裂速度略高于對(duì)照組和2.0S實(shí)驗(yàn)組的現(xiàn)象, 可能是尖狀柵藻在培養(yǎng)初期便進(jìn)入硫素脅迫狀態(tài), 為應(yīng)對(duì)硫素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足, 藻細(xì)胞產(chǎn)生了一個(gè)高效吸收利用SO的應(yīng)激反應(yīng)[23], 導(dǎo)致短期內(nèi)細(xì)胞迅速生長(zhǎng)。

圖 5 不同初始Na2SO4濃度下尖狀柵藻77 K低溫?zé)晒獍l(fā)射光譜和F714與F685比值變化Fig.5 Changes of flouresecence emission spectra and the ratio of F714 to F685 at 77 K of S.Acuminatus during cultivation at different initial Na2SO4concentrations

微藻在營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏、高光強(qiáng)等環(huán)境脅迫下, 通過(guò)改變?cè)寮?xì)胞物質(zhì)組成成分, 來(lái)調(diào)整自身代謝途徑維持正常生命活動(dòng), 主要表現(xiàn)為蛋白質(zhì)和碳水化合物含量降低, 油脂大量積累[24,25], 這與本研究結(jié)果一致。3個(gè)濃度組尖狀柵藻的碳水化合物含量隨光合速率升高不斷增加, 在培養(yǎng)前3天達(dá)到最大, 后期隨硫素大量消耗, 藻細(xì)胞光合放氧速率和Fv/Fm降低, 碳水化合物合成開(kāi)始減少。而可溶性蛋白含量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)呈持續(xù)降低趨勢(shì), 競(jìng)爭(zhēng)的碳源和能量由最初流向碳水化合物轉(zhuǎn)向油脂合成, 且隨油脂含量的大量增加顯著降低, 其中低硫水平(0.25S實(shí)驗(yàn)組)下降最為顯著(圖 3)。這與微芒藻（Micractinium pusillum）Y-002在缺硫條件下出現(xiàn)蛋白含量大量減少的報(bào)道一致[24], 藻細(xì)胞可能通過(guò)降解一些非必需蛋白來(lái)獲取硫素維持生存。低硫組(0.25S)在培養(yǎng)前3天獲得最大碳水化合物的累積量的原因: 一方面尖狀柵藻細(xì)胞核和細(xì)胞分裂受抑制, 細(xì)胞分裂次數(shù)減少, 用于合成細(xì)胞分裂間期階段的RNA、蛋白質(zhì)等生物大分和DNA復(fù)制的能量與碳源, 轉(zhuǎn)向淀粉的合成[26,27]; 另一方面缺硫后分裂的子細(xì)胞生物大分子合成雖受阻, 但仍能以正常細(xì)胞的光合效率進(jìn)行光合作用合成大量淀粉, 導(dǎo)致碳水化合物含量迅速增加[8]。而2.0S實(shí)驗(yàn)組與対照組在培養(yǎng)初期由于硫素充足, 細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂旺盛,導(dǎo)致蛋白的合成和碳水化合物大量競(jìng)爭(zhēng)碳源。油脂作為應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)脅迫和環(huán)境壓力的一種長(zhǎng)期儲(chǔ)能方式[28,29], 累積含量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng), 其中0.25S實(shí)驗(yàn)組下尖狀柵藻油脂累積量最高,占干重的55.15%, 說(shuō)明硫素營(yíng)養(yǎng)限制或缺乏有利于藻細(xì)胞油脂積累。這與辜博等[24]報(bào)道一致。然就第18天單位體積油脂產(chǎn)率而言, 0.25S實(shí)驗(yàn)組顯著低于對(duì)照組和2.0S實(shí)驗(yàn)組(P<0.05), 表明低硫條件雖有利于尖狀柵藻油脂積累, 但最終不利于藻細(xì)胞生長(zhǎng)。

微藻為應(yīng)對(duì)高光、營(yíng)養(yǎng)脅迫環(huán)境, 除通過(guò)改變胞內(nèi)物質(zhì)組分外, 還產(chǎn)生了內(nèi)部調(diào)整光能吸收機(jī)制[30,31], 來(lái)保護(hù)光合器官。主要體現(xiàn)在: (1)降低葉綠素a和b的含量, 減少光系統(tǒng)對(duì)光能的過(guò)度捕獲而造成的光破壞, 同時(shí)提高類(lèi)胡蘿卜素的合成, 減弱胞內(nèi)氧化活性因子對(duì)藻細(xì)胞的損傷[32]; (2)均衡調(diào)配光能和能量耗散的比例[33,34]。F714/F685的變化與PSⅡ主要外周天線LHCⅡ與PSⅡ核心復(fù)合物解離程度相關(guān), 2.0S組和對(duì)照組在培養(yǎng)初期F714/F685升高可能是藻細(xì)胞為保護(hù)PSⅡ避免被高光照射損傷一種短期調(diào)控方式, 通過(guò)部分LHCⅡ的可逆解離來(lái)重新分配激發(fā)能, 調(diào)節(jié)PSⅠ和PSⅡ能量耗散的比例, 維持正常的光合作用。0.25S實(shí)驗(yàn)組F714與F685比值持續(xù)走低, 表明尖狀柵藻在培養(yǎng)初期PSⅡ活性受硫素脅迫和高光的影響, 藻細(xì)胞吸收、傳遞光能的能力減弱, 能量在PSⅡ處以熒光形式大量耗散。葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合生物光系統(tǒng)生理狀態(tài)的重要指證, 反應(yīng)細(xì)胞對(duì)光能捕獲的能力與效率。尖狀柵藻在不同初始Na2SO4濃度下的Fv/Fm、ETR、Yield值的變化均呈先升后降的趨勢(shì)。研究報(bào)道, 在硫素限制下, 蛋白含量驟減, 參與和介導(dǎo)D1蛋白合成周轉(zhuǎn)的含硫氨基酸出現(xiàn)供應(yīng)不足[35—38], 導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心受損, PSⅡ活性降低。Westerman等[39]發(fā)現(xiàn)PSⅡ在硫和鎂同時(shí)缺乏下嚴(yán)重?fù)p傷, 最大量子產(chǎn)率(Fv/Fm)和D1蛋白含量出現(xiàn)顯著降低。在氮、磷和硫素嚴(yán)重供應(yīng)不足下同樣會(huì)導(dǎo)致光合生物PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量(Yield)與最大量子產(chǎn)率(Fv/Fm)顯著降低, QA還原狀態(tài)升高[40]。同時(shí)光合電子的傳遞會(huì)因鐵-硫蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)合成減少而受到影響, 電子傳遞效率ETR降低[5]。但在培養(yǎng)后期, 低硫組(0.25S)葉綠素?zé)晒鈪?shù)出現(xiàn)略微升高, 可能是衰亡細(xì)胞為后續(xù)生長(zhǎng)的尖狀柵藻提供硫源, 促進(jìn)生長(zhǎng), 亦有可能藻細(xì)胞啟動(dòng)其他能量代補(bǔ)償途徑提高光合代謝, 促進(jìn)電子傳遞, 促進(jìn)胞內(nèi)油脂持續(xù)累積。同時(shí), 硫素營(yíng)養(yǎng)與氮素同化相互影響, 微藻在不同硫素水平條件下其細(xì)胞內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)代謝是如何調(diào)控？是否驅(qū)動(dòng)能量代補(bǔ)償途徑等問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。

[1]Yang X.Characterization of oil-producing profiles of tropical microalgae and rearch on the affecting factors of lipid accumulation [D].A thesis Submitted to Hainan University in Partial Fulfillment of the Requirement For the Master Degree in Biochemical Engineering, 2013 [楊勛.熱帶微藻產(chǎn)油性能的評(píng)價(jià)及油脂積累影響因素研究.海南大學(xué), 碩士畢業(yè)論文, 2013]

[2]James B, Joseph E V.Plant Biochemistry (3rd edition) [M].Elsevier, 2012, 428—447

[3]Davidian J C, Kopriva S.Regulation of sulfate uptake and assimilation-the same or not the same [J]? Molecular Plant, 2010, 3(2): 314—325

[4]Li G Q, Zhu Y J, Shen X S.Plant sulphur assimilation pathways and its regulation [J].Plant Physiology Communications, 2005, 41(6): 699—704 [李國(guó)強(qiáng), 朱云集, 沈?qū)W善.植物硫素同化途徑及其調(diào)控.植物生理學(xué)通訊, 2005, 41(6): 699—704]

[5]Xu D Q.Photosyntheology (1st edition) [M].Beijing: Science Press.2013, 262—308 [許大全.光合作用學(xué)(第一版).北京: 科學(xué)出版社.2013, 262—308]

[6]Sato N.Roles of the acidic lipids sulfoquinovosyl diacylglycerol and phosphatidylglycerol in photosynthesis: their specificity and evolution [J].Journal of Plant Research, 2004, 117(6): 495—505

[7]Zhang Z, Shrager J, Jain M, et al.Insights into the survival of Chlamydomonas reinhardtii during sulfur starvation based on microarray analysis of gene expression [J].Eukaryotic Cell, 2004, 3(5): 1331—1348

[8]?etlík I, Ballin G, Doucha J, et al.Macromolecular syntheses and the course of cell cycle events in the alga Scenedesmus quadricauda under nutrient starvation: Effect of sulphur starvation [J].Biologia Plantarum, 1988, 30(3): 161—169

[9]Fei X W, Cai J J, Deng X D.Effects of Nutrient Elements Deficiency on Lipid Accumulation of Heynigia riparia CE14-2 [J].Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2012, 40(34): 16521—16524 [費(fèi)小雯, 蔡佳佳, 鄧曉東.營(yíng)養(yǎng)限制對(duì)Heynigia riparia CEl4-2油脂積累的影響.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(34): 16521—16524]

[10]Sugimoto K, Midorikawa T, Tsuzuki M, et al.Upregulation of PG synthesis on sulfur-starvation for PS I in Chlamydomonas [J].Biochemical and Biophysical Research Communication, 2008, 369(2): 660—665

[11]Giordano M, Pezzoni V, Hell R.Strategies for the allocation of resources under sulfur limitation in the green alga Dunaliella salin [J].Plant Physiology, 2000, 124(2): 857—864

[12]Mizuno Y, Sato A, Watanabe K, et al.Sequential accumulation of starch and lipid induced by sulfur deficiency in Chlorella and Parachlorella species [J].Bioresource Technology, 2013, 129(2): 150—155

[13]Takeshita T, Ota S, Yamazaki T, et al.Starch and lipid accumulation in eight strains of six Chlorella species under comparatively high light intensity and aeration culture conditions [J].Bioresource Technology, 2014, 158(2): 127—134

[14]Gao B Y, Shen D D, He S S, et al.Integrated the biomass production of oleaginous microalga Scenedesmus acuminatus and dairy wastewater treatment [J].Renewable Energy Resources, 2014, 32(5): 673—679 [高保燕,沈丹丹, 何思思, 等.富油微藻——尖狀柵藻生物質(zhì)生產(chǎn)與奶牛場(chǎng)廢水處理相結(jié)合的效果研究.可再生能源, 2014, 32(5): 673—679]

[15]Khozin G I, Shrestha P, Cohen Z, et al.Mobilization of arachidonyl moieties from triacylglycerols into chloroplastic lipids following recovery from nitrogen starvation of the microalga Parietochloris incise [J].Biochimica ET Biophysica Acta, 2005, 1738(1): 63—71

[16]Dubois M, Gilles K A, Hamilton J K, et al.Colorimetric method for determination of sugars and related substance [J].Analytical Chemistry, 1956, 28(3): 350—356

[17]Jensen A.Chlorophylls and Carotenoids [M].Handbook of phycological methods.Cambridge: Cambridge University Press.1978, 50—78

[18]Liang Y, Feng L X, Tian C Y, et al.Effects of High Temperature Stress on Chlorophyll Fluorescence Kinetics of Dunaliella salina and Pyramimonas sp.[J].Journal of Fishery Sciences of China, 2007, 14(6): 961—968 [梁英,馮力霞, 田傳遠(yuǎn), 等.高溫脅迫對(duì)鹽藻和塔胞藻葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)的影響.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 2007, 14(6): 961—968]

[19]Kühl M, Glud R N, Borum J, et al.Photosynthetic performance of surface-associated algae below sea ice as measured with a pulse amplitude-modulated (PAM) fluorometer and O2microsensors [J].Marine Ecology Progress Series, 2001, 223: 1—14

[20]Breuer G, Lamers P P, Martens D E, et al.The impact of nitrogen starvation on the dynamics of triacylglycerol accumulation in nine microalgae strains [J].Bioresource Technology, 2012, 124: 217—226

[21]Rodolfi L, Chini Z G, Bassi N, et al.Microalgae for oil: Strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor [J].Biotechnology and Bioengineering, 2009, 102(1): 100—112

[22]Yao C H, Ai J N, Cao X P, et al.Characterization of cell growth and starch production in the marine green microalga Tetraselmis subcordiformis under extracellular phosphorus-deprived and sequentially phosphorus-replete conditions [J].Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, 97(13): 6099—6110

[23]Yildiz F H, Davies J P, Grossman A R.Characterization of sulfate transport in Chlamydomonas reinhardtii during sulfur-limited and sulfur-sufficient growth [J].Plant Physiology, 1994, 104(3): 981—987

[24]Gu B, Fei X W, Hu X W, et al.The Effect of the Restriction of Nutrient Elements to Lipid Accumulation in Micractinium pusillum Y-002 [J].Chinese Journal of Tropical Crops, 2011, 32(5): 789—795 [辜博, 費(fèi)小雯, 胡新文, 等.營(yíng)養(yǎng)元素限制對(duì)微芒藻Y-002油脂積累的影響.熱帶作物學(xué)報(bào), 2011, 32(5): 789—795]

[25]Khotimchenko S V, Yakovleva I M.Lipid composition of the red alga Tichocarpus crinitus exposed to different levels of photon irradiance [J].Phytochemistry, 2005, 66(1): 73—79

[26]Vitova M, Bisova K, Kawano S, et al.Accumulation of energy reserves in algae: from cell cycles to biotechnological applications [J].Biotechnology Advances, 2015, 33(6): 1204—1218

[27]Hase E, Mihara S, Tamiya H.Role of sulfur in the cell division of Chlorella, with special reference to the sulfur compounds appearing during the process of cell divisionⅡ [J].Plant and Cell Physiology, 1961, 2(1): 9—24

[28]Han F.The mechanisim of microalgae lipid accumulation induced by high-temperature stress and ultrasonic stimulation [D].A Dissertation Submitted to Shandong University in Partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor, 2016 [韓飛.高溫脅迫與超聲刺激促進(jìn)微藻油脂積累的過(guò)程及機(jī)理.山東大學(xué), 2016]

[29]Siaut M, Cuiné S, Cagnon C, et al.Oil accumulation in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii: characterization, variability between common laboratory strains and relationship with starch reserves [J].BMC Biotechnology, 2011, 11(1): 7

[30]Croce R, Van A H.Natural strategies for photosynthetic light harvesting [J].Nature Chemical Biology, 2014, 10(7): 492—501

[31]Zhang M.Effects of several ecological factors on the growth, photosynthesis and chloroPhyll fluorescenee of some algae from wujiang river [D].A Thesis Submitted to Southwest University in Partial fulfillment of the requirement for the degree of Master, 2007 [張曼.不同生長(zhǎng)條件對(duì)烏江適生藻類(lèi)生長(zhǎng), 光合作用和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?西南大學(xué), 碩士學(xué)位論文, 2007]

[32]Liu J H, Xiang W Z, Chen T, et al.Effect of sulphur on the growth and production of astaxanthin by Chlorella zofingiensis in heterotrophic culture [J].Journal of Tropical Oceanography, 2011, 30(1): 101—106 [劉紀(jì)化, 向文洲, 陳濤, 等.硫元素對(duì)小球藻異養(yǎng)生產(chǎn)蝦青素的影響.熱帶海洋學(xué)報(bào), 2011, 30(1): 101—106]

[33]Chen Y, Xu D Q.Two patterns of leaf photosynthetic response to irradiance transition from saturating to limiting one in some plant species [J].New Phytologist, 2006, 169(4): 789—798

[34]Pascal A A, Liu Z, Broess K, et al.Molecular basis of photoprotection and control of photosynthetic light-harvesting [J].Nature, 2005, 436(7047): 134—137

[35]Kim J, Mayfield S P.Protein disulfide isomerase as a regulator of chloroplast translational activation [J].Science, 1997, 278(5345): 1954—1957

[36]He M L.Screening of H2 producing microalgae and physiologial studies on their high H2photoproductive mechanism [D].A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences in Partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor, 2013 [何梅琳.高效光合產(chǎn)氫藻株的篩選及其產(chǎn)氫機(jī)制研究.中國(guó)科學(xué)院研究生院(海洋研究所), 博士學(xué)位論文, 2013]

[37]Wykoff D D, Davies J P, Melis A, et al.The regulation of photosynthetic electron transport during nutrient depriva-tion in Chlamydomonas reinhardtii [J].Plant Physiology, 1998, 117(1): 129—139

[38]Nixon P J, Michoux F, Yu J, et al.Recent advances in understanding the assembly and repair of photosystem II [J].Annals of Botany, 2010, 106(1): 1—16

[39]Westerman S, Stulen I, Suter M, et al.Atmospheric H2S as sulphur source for Brassica oleracea: consequences for the activity of the enzymes of the assimilatory sulphate reduction pathway [J].Plant Physiology and Biochemistry, 2001, 39(5): 425—432

[40]Jacob J, Lawlor D W.In vivo photosynthetic electron transport does not limit photosynthetic capacity in phosphate-deficient sunflower and maize leaves [J].Plant, Cell & Environment, 1993, 16(7): 785—795

EFFECTS OF SULFUR CONCENTRATION ON THE PHOTOSYNTHETIC PHYSIOLOGY AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF SCENEDESMUS ACUMINATUS

WANG Qian-Ya, ZHANG Ying, LI Ai-Fen and ZHANG Cheng-Wu
(Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China)

Scenedesmus acuminatus microalgae are capable of accumulating lipids when exposed to different sulfur concentrations and are therefore considered promising organisms for biodiesel production.Using column photobioreactors, the relevance of different sulfur concentration (2.0S, 1.0S, and 0.25S) on the growth and photosynthetic physiology of the algae was investigated.The initial sulfur concentration had a significant effect on the growth of S.acuminatus (P<0.05).A maximum biomass of 7.47 g/L was obtained in the 2.0S group, which was significantly higher than that of the 1.0S and 0.25S groups (6.43 g/L and 4.17 g/L, respectively; P<0.05), indicating that the addition of sulfur-rich nutrients could promote algae growth.The changes in chlorophyll and band total carotenoid content in S.acuminatus positively correlated with the initial sulfur level in the medium.At the beginning of cultivation, rapid accumulation of carbohydrates occurred under low sulfur conditions; the 0.25S group achieved the highest carbohydrate content accounting for 44.37% of the dry weight, which was 14.43% and 13.78% higher than that of the 1.0S and 2.0S groups, respectively.With a decreased carbohydrate and protein content, lipid content increased significantly in the later stages of cultivation.The 0.25S group acquired the maximum lipid content (55.15% of the dry weight), which was significantly higher than that of the other two groups (P<0.05).Meanwhile, the photosynthetic oxygen evolution rate, maximum light energy conversion efficiency of PSⅡ (Fv/Fm), actual light energy conversion efficiency (yield), and the relative electron transfer efficiency (ETR) positively correlated with the initial sulfur concentration in the culture medium; the whole culture period showed a tendency to increase first and then significantly decrease.The results of fluorescence emission spectroscopy at 77 K showed that there was light energy allocation between the two photosynthetic systems at the cultivation prophase.In conclusion, growth, lipid accumulation, and photosynthetic physiology of S.acuminatus were apparently influenced by the sulfur concentration.

Scenedesmus acuminatus; Sulfur Concentration; Lipid accumulation; Photosynthetic physiological parameter

Q948.8

A

1000-3207(2017)04-0904-10

10.7541/2017.113

2016-10-13;

2017-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(41176105); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(21614101)資助 [National Natural Science Foundation of China (41176105); Fundamental Research Funds for the Central Universities (21614101)]

王倩雅(1991—), 女, 湖南常德人; 碩士研究生; 研究方向?yàn)槲⒃迳砩c生物技術(shù)。E-mail: wangqianya1234@163.com

李?lèi)?ài)芬, E-mail: tiger@jnu.edu.cn