曹林波，崔戰(zhàn)利

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

節(jié)能燈替代白熾燈為光源對光合細菌SXY-8菌株生長及活細胞吸收光譜的影響

曹林波，崔戰(zhàn)利

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

為了探討節(jié)能燈替代白熾燈作光源培養(yǎng)光合細菌的可能性，在相同光強的節(jié)能燈和白熾燈下及不同光強的節(jié)能燈下對產(chǎn)5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）的光合細菌SXY-8菌株的生長和活細胞吸收光譜進行了比較。試驗表明同等光照強度下，SXY-8在白熾燈下比節(jié)能燈下提前8 h進入對數(shù)生長期，菌綠素含量明顯高，而培養(yǎng)物濃度、活細胞的類胡蘿卜素和菌綠素的吸收光譜兩種光源下相同；SXY-8在8 W節(jié)能燈下生長速度顯著（P＜0.05）高于14 W節(jié)能燈下，兩種燈下的培養(yǎng)物終濃度無顯著（P＜0.05）差異且較高。節(jié)能燈可替代白熾燈作光源培養(yǎng)產(chǎn)ALA的光合細菌SXY-8菌株。

光合細菌；節(jié)能燈（CFL）；白熾燈；光照強度；生長曲線；活細胞吸收光譜

光合細菌（photo synthetic bacteria，PSB）屬于光能異養(yǎng)細菌，同時在不同條件下又具有多種生理活性物質(zhì)和多種靈活的生理特性。光合細菌菌體含60%以上蛋白質(zhì)，并富含多種維生素，其中VB12、葉酸、生物素的含量是酵母的幾千倍，此外，還含有輔酶Q10、抗病毒物質(zhì)及生長促進因子[1]，菌體在光照厭氧條件下還會形成菌綠素和類胡蘿卜素等光合色素。光合細菌由于其特有的生理過程和組成成分，它在漁業(yè)、畜牧業(yè)、種植業(yè)、污染治理、生物產(chǎn)氫、色素合成、單細胞蛋白生產(chǎn)、清潔能源生產(chǎn)等行業(yè)有著較廣泛的作用和良好應(yīng)用前景[2]。目前國內(nèi)培養(yǎng)光合細菌多采用白熾燈和鈉燈作為光源，白熾燈可發(fā)出連

續(xù)的可見光和紅外線，其光能轉(zhuǎn)換效率較低，溫度較高不易控制，鈉燈發(fā)射光的波長非常窄。而節(jié)能燈（學(xué)名緊湊型三基色電子熒光燈，簡稱CFL）為線狀光譜，其中紫光、藍光、綠光能量最高，并混有少許黃光、橙光和紫外線[3]，節(jié)能，產(chǎn)熱少，燈泡壽命長。此外，白熾燈正面臨著全面停產(chǎn)和被LED燈取代的局面。故在對實驗室保藏的5株光合細菌在節(jié)能燈下生長狀況的研究基礎(chǔ)上，以產(chǎn)5-氨基乙酰丙酸的SXY-8菌種為代表以相同光強白熾燈與節(jié)能燈作為光源，以及不同光照強度節(jié)能燈對光合細菌的生長以及活細胞吸收光譜的影響進行研究，為節(jié)能燈代替白熾燈降低產(chǎn)5-氨基乙酰丙酸光合細菌培養(yǎng)成本提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 菌種

試驗用光合細菌5個菌株SXY-8、YG、SD、NDT、HGZS，均由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科技學(xué)院微生物教研室提供。

1.2 培養(yǎng)基

光合細菌的培養(yǎng)基配方（1 000 mL）：乙酸鈉2 g、丙酸鈉1 g、氯化銨1 g、磷酸氫二鉀0.5 g、酵母膏0.3 g、微量元素母液10 mL。

微量元素母液配方（1 000 mL）：硫酸鐵5 mg、五水硫酸銅0.05 mg、硼酸1 mg、四氯化錳0.05 mg、硫酸鋅1 mg、六水硝酸鈷0.5 mg。

1.3 可在節(jié)能燈下良好生長的光合細菌篩選

將在白熾燈為光源活化后得到生長良好的5株光合細菌菌種，重新接種于50 mL玻璃瓶中膠塞密封培養(yǎng)，接種量均為10%，每種菌株接種4瓶，置于820 Lux（8 W節(jié)能燈，為海德信色調(diào)節(jié)能燈泡，下同）下培養(yǎng)，控制溫度為35±2℃。每天觀測3～4次并記錄。最終選取生長速度較快，菌液濃度最高的菌種為試驗菌種。

1.4 等光強的節(jié)能燈和白熾燈對光合細菌生長和吸收光譜的影響

1.4.1 等光強的節(jié)能燈和白熾燈對光合細菌生長的影響

將3 mL滅菌培養(yǎng)基無菌操作加入經(jīng)50 mg·L-1次氯酸鈉殺菌和無菌水多次沖洗的751玻璃比色皿中[4]，并以10%接種量接入試驗菌種，比色皿口用無菌自制橡膠塞封口并用固體石蠟密封，每個處理4次重復(fù)。分別放于8 W節(jié)能燈和60 W白熾燈下用Tondaj LX-1018型照度計選取光照強度1 000 Lux的位置，控制溫度均為31±2℃，每隔約8 h在660 nm波長下測定OD值，并分別按1.6方法作生長曲線[5]。

1.4.2 等光強的節(jié)能燈和白熾燈對光合細菌吸收光譜的影響

將試驗菌種接種于50 mL玻璃瓶中培養(yǎng)，培養(yǎng)基量為50 mL，接種量為10%，接種5瓶。分別置于8 W節(jié)能燈和60 W白熾燈下用照度計測量光照強度1 000 Lux的位置培養(yǎng)，控制溫度均為31±2℃。與試驗1.4.1同時放于同一溫箱中培養(yǎng)，同時根據(jù)試驗中試驗菌種的生長曲線，在延滯期、對數(shù)期和平衡階段分別取出1瓶，混勻，分別按1.7方法測定活細胞吸光光譜。

1.5 不同光強的節(jié)能燈對光合細菌生長的影響

將試驗菌種接種于751玻璃比色皿中培養(yǎng)，培養(yǎng)基量為3 mL，接種量為17%，分別置于8 W（820 Lux）、11 W（1 280 Lux）、14 W（1 500 Lux）節(jié)能燈下培養(yǎng)，每個處理4次重復(fù)，控制溫度為35±2℃，每隔約8 h在660 nm波長下測定OD值，并分別按1.6方法作生長曲線。

1.6 光合細菌生長曲線的測定

每隔約8 h取出培養(yǎng)光合細菌的比色皿，于漩渦混合器將光合細菌懸液振蕩混勻，用VIS-723G型分光光度計測量波長為660 nm的吸光值（OD值），空白對照為未接菌種的無菌培養(yǎng)基。將不同培養(yǎng)時間下測定的OD660nm值輸入Excel表格，將生長較一致的同一時間的3次的檢測值取平均值，以O(shè)D660nm值為縱坐標，以測定時間為橫坐標，繪制光合細菌生長曲線[6]。并利用Excel的數(shù)據(jù)分析功能對試驗1.4.1數(shù)據(jù)進行F檢測和t檢驗，對試驗1.5數(shù)據(jù)進行方差分析。

1.7 光合細菌活細胞吸收光譜測定方法

分別取20 mL菌液放入50 mL離心管中，4 000 r·min-1、17℃離心10 min，棄去上清液將菌體用無菌水懸浮洗滌并離心，重復(fù)3次。然后用20 mL 60%蔗糖溶液將光合細菌細胞懸浮成均勻菌懸液。以60%蔗糖溶液為空白對照，用北京普析TU-1 800紫外分光光度計在200～1 100 nm波長范圍內(nèi)每2 nm

測定光合細菌的活細胞吸光值（OD值），將不同波長下測定吸光值輸入Excel表格，以吸光值為縱坐標，以波長為橫坐標，用作圖功能作出光合細菌的活細胞吸收光譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 等光強的節(jié)能燈和白熾燈下SXY-8的生長曲線及吸收光譜

在節(jié)能燈光照下培養(yǎng)的5株光合細菌中，SXY-8菌液OD660nm最高，第7 d達0.895。故選擇SXY-8作為試驗菌種。本菌種經(jīng)本實驗室初步鑒定為可產(chǎn)新型植物生長調(diào)節(jié)劑的5-氨基乙酰丙酸的沼澤紅假單胞菌。

2.1.1 等光強的節(jié)能燈和白熾燈下SXY-8生長曲線

SXY-8在白熾燈下培養(yǎng)時，0～32 h為適應(yīng)（延滯期）期、32～120 h為對數(shù)期，120 h后進入穩(wěn)定期；SXY-8在節(jié)能燈下培養(yǎng)時，0～40 h為適應(yīng)期、40～120 h為對數(shù)期、120 h后進入穩(wěn)定期（見圖1）?？梢姡琒XY-8除在白熾燈下進入對數(shù)期比節(jié)能燈早8 h外，進入生長曲線其它各時期的時間在兩種培養(yǎng)條件下均相近。經(jīng)F測驗和t檢驗，SXY-8在白熾燈下在培養(yǎng)16～40 h間培養(yǎng)物濃度比節(jié)能燈下顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）高，其它培養(yǎng)時間兩者培養(yǎng)物濃度無顯著差異，培養(yǎng)物最終濃度也無顯著差異（P＜0.05）。

圖1 等光強的節(jié)能燈和白熾燈下SXY-8的生長曲線Fig.1Growth curve of SXY-8 at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

2.1.2 等光強的節(jié)能燈和白熾燈下SXY-8的吸收光譜

根據(jù)2.1.1試驗結(jié)果，選取培養(yǎng)40 h時為延滯期代表、培養(yǎng)96 h時為對數(shù)期代表、培養(yǎng)200 h時為穩(wěn)定期代表，分別在這三個時期進行SXY-8菌株活細胞的吸收光譜測量（見圖2、圖3、圖4）。

圖2 等光強的節(jié)能燈和白熾燈培養(yǎng)40 h菌株SXY-8活細胞吸收光譜Fig.2Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 40 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

圖3 等光強的節(jié)能燈和白熾燈培養(yǎng)96 h菌株SXY-8活細胞吸收光譜Fig.3Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 96 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

圖4 等光強的節(jié)能燈和白熾燈培養(yǎng)200 h菌株SXY-8活細胞吸收光譜Fig.4Absorption spectra of SXY-8 living cells of the cultured 200 h at equal intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps

由圖2、3、4可見，白熾燈下培養(yǎng)40 h時菌株SXY-8類胡蘿卜素吸收峰均高于節(jié)能燈下，但在培養(yǎng)96 h和200 h時白熾燈與節(jié)能燈下培養(yǎng)的SXY-8

中類胡蘿卜素含量相近，而節(jié)能燈下SXY-8菌綠素的含量要遠超過白熾燈下，說明節(jié)能燈下需要合成更多的菌綠素a來捕獲光能進行光合磷酸化。

由圖2可見，兩種燈下菌綠素a在延滯期后期在紫外區(qū)與紅外區(qū)吸收峰波長出現(xiàn)差異，節(jié)能燈下相比白熾燈下出現(xiàn)藍移（向紫效應(yīng)）[7]。而圖3、圖4還可見，在兩種燈下菌綠素a在對數(shù)中期和穩(wěn)定期在紫外區(qū)與紅外區(qū)吸收峰波長沒有差異。

由圖2～4可見，40 h和96 h節(jié)能燈與白熾燈下活細胞類胡蘿卜素吸收峰波長與吸光值均有較大差異，而在200 h兩種燈下類胡蘿卜素吸收峰波長與吸光值均接近。

2.2 不同光照強度的節(jié)能燈下SXY-8的生長曲線

圖5可見，三種不同光強節(jié)能燈下SXY-8菌株的生長曲線。SXY-8在8 W和14 W節(jié)能燈下培養(yǎng)時，0～56 h為適應(yīng)期，在14 W比在8 W節(jié)能燈下提前8 h進入穩(wěn)定期前期；在11 W節(jié)能燈下培養(yǎng)時，0～56 h為適應(yīng)期、56～144 h為對數(shù)期、144 h以后為穩(wěn)定期。方差分析表明，培養(yǎng)時間在88～120 h間即對數(shù)生長后期，在三種光強節(jié)能燈下SXY-8培養(yǎng)物濃度無顯著（P＜0.05）差異，而在其它培養(yǎng)時間三種光強節(jié)能燈下SXY-8菌濃存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異。8 W（1 500 Lux）下細菌生長速度最快，14 W（820 Lux）下其次。最終培養(yǎng)物濃度8 W（820 Lux）與14 W（1 280 Lux）下無顯著（P＜0.05）差異（見圖5）。

圖5 不同光強節(jié)能燈下SXY-8生長曲線Fig.5Growth curve of SXY-8 at energy-saving lamps of different intensity

3 討論

試驗結(jié)果表明，在同等光強下，節(jié)能燈下的SXY-8生長時期、生長速度、培養(yǎng)物終濃度與白熾燈下接近，節(jié)能燈可替代白熾燈進行被試光合細菌菌株的培養(yǎng)。

光合細菌的光合色素由菌綠素（BChl）和類胡蘿卜素組成?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的不產(chǎn)氧光合細菌所特有的一類色素菌綠素有a、b、c、d、e 5種，每種都有固定的光吸收波長，多數(shù)菌綠素的作用是捕獲光能，具有獨特的寬光譜吸光特性和熒光特性[8]。類胡蘿卜素不僅能將捕獲的光能傳遞給菌綠素分子，而且還能猝滅菌綠素所產(chǎn)生的熒光。類胡蘿卜素的吸收波長是450～550 nm，菌綠素a的吸收峰為375、590、796～805、820～898 nm；菌綠素b吸收峰為400、605、835～840、980～1 030 nm[7，9，10]。在不同的菌株中，光和氧對細胞內(nèi)光合色素的積累呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[11]。節(jié)能燈下SXY-8菌綠素a的含量明顯比白熾燈下高，說明光合細菌通過增加菌綠素a的含量滿足光合作用中捕獲足夠光能所需，其可能原因：一方面是節(jié)能燈光譜中的藍紫光含量比白熾燈高，刺激SXY-8中的菌綠素的合成增強；另一方面是在一定范圍內(nèi)光照強度與菌綠素a含量成反比[8，12]，節(jié)能燈光線中利于菌綠素a吸收的波長的光光強相對較低，迫使光合細菌增加菌綠素a的含量滿足光合磷酸化所需，以更充分利用節(jié)能燈相應(yīng)波長的光能。

11 W節(jié)能燈的光譜中的紫外線較多，且多為365 nm紫外線，穿透玻璃的能力較強對光合細菌的生長可能有較大的抑制作用，而8 W與14 W的節(jié)能燈中紫外線含量較少，且多為315 nm紫外線[13]，由于其含量少，且穿透玻璃的能力差，所以對光合細菌的培養(yǎng)物終濃度影響很小。這可能是8 W和14 W節(jié)能燈下的SXY-8菌株菌濃較11W節(jié)能燈下的高的原因之一。

研究僅針對沼澤紅假單胞菌的一個產(chǎn)ALA菌株進行了的節(jié)能燈替代白熾燈培養(yǎng)光合細菌的研究，其它光合細菌在節(jié)能燈下生長狀況還需要進一步的研究。針對培養(yǎng)基成分、其他培養(yǎng)條件對節(jié)能燈下光合細菌生長的影響今后也需要進一步研究，以期獲得利用節(jié)能燈在更短培養(yǎng)時間達到更高菌體濃度的光合細菌培養(yǎng)條件。

4 結(jié)論

同等光照強度下，SXY-8白熾燈下比節(jié)能燈下提前8 h進入對數(shù)生長期，但培養(yǎng)物終濃度兩者差異不顯著，節(jié)能燈替代白熾燈培養(yǎng)SXY-8對延滯期和對數(shù)期類胡蘿卜素的種類和含量有一定影響，而至穩(wěn)定期類胡蘿卜素的種類和含量兩種燈接近；延滯

期節(jié)能燈下菌綠素a含量明顯低于白熾燈下，至對數(shù)期中期和穩(wěn)定期節(jié)能燈菌綠素a的含量明顯比白熾燈下高。不同光強的節(jié)能燈對光合細菌的影響較大，SXY-8在8 W節(jié)能燈下生長速度顯著高于14 W節(jié)能燈，8 W和14 W節(jié)能燈下的培養(yǎng)物終濃度無顯著（P＜0.05）差異且較高。8 W節(jié)能燈因耗電低替代白熾燈進行光合細菌培養(yǎng)更經(jīng)濟有效。

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Effects of Illuminant with Energy-saving Lamps Replacing Incandescent Lamps on Growth and Absorption Spectra of Photosynthetic Bacteria SXY-8

Cao Linbo，Cui Zhanli
（College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to explore the possibility of energy-saving lamps that replaced incandescent light sources for culturing photosynthetic bacteria，the growth and living cells absorption spectra of photosynthetic bacteria SXY-8 producing 5-aminolevulinic acid（ALA）at the same light intensity of energy-saving lamps and incandescent lamps and at the different light intensities of energysaving lamp were compared.At the same light intensity，the tests showed that SXY-8 at the incandescent lamp than energy-saving lamps arrived the logarithmic growth phase 8 h in advance，and bacteriochlorophyll content was higher，but the concentration of the culture and the absorption spectra of carotenoid and bacteriochlorophyll of living cells were same at the two light sources.Growth rate of SXY-8 at 8 W energy-saving lamp was significantly（P＜0.05）higher than at 14 W energy-saving lamp，and the concentration of the culture at 8 W（820 Lux）and 14 W（1 500 Lux）energy-saving lamp were similar and high，and energy-saving lamps could replace incandescent lamp as the light source for culturing photosynthetic bacteria SXY-8 producing ALA.

photosynthetic bacteria SXY-8；energy-saving lamps；incandescent；light intensity；growth curve；absorption spectra of living cells

Q93-335

A

1002-2090（2015）02-0074-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.017

2014-05-10

黑龍江省農(nóng)墾總局“十一五”重點科技攻關(guān)項目（HNKXIV-02-046）；黑龍江省教育廳面上項目（11541253）。

曹林波（1992-），黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)2010級本科生。

崔戰(zhàn)利，女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：zhanlic@aliyun.com.cn。