引用本文
李科, 潘耀茹, 吴嘉平, 肖溪. 不同光照周期下LED光源对铜藻生长的影响[J]. 浙江农业学报, 2017,29(4): 631-636.
LI Ke, PAN Yaoru, WU Jiaping, XIAO Xi. Effect of LED lightings on growth of Sargassum horneri under different photoperiods [J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2017,29(4): 631-636.  
Doi:10.3969/j.issn.1004-1524.2017.04.17
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不同光照周期下LED光源对铜藻生长的影响
李科, 潘耀茹, 吴嘉平, 肖溪*
浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316000
*通信作者,肖溪, E-mail:prana@zju.edu.cn

作者简介:李科(1992—),男,安徽合肥人,硕士研究生,主要研究污染环境治理与生态保护。E-mail:leeke0304@zju.edu.cn

收稿日期: 2016-12-14
基金资助: 国际科技合作与交流专项(2015DFA01410)
摘要

利用白、红、绿、蓝4种LED作为光源,研究在24 h/0 h、18 h/6 h、12 h/12 h、6 h/18 h(L/D)这4组光照周期下铜藻生长对不同光质光源的响应。结果表明:各LED光源下,铜藻生物量累积峰值均出现在24 h/0 h(L/D)的光照周期中;在非连续光照下,蓝光LED光源促进铜藻生长的效果最佳。本研究还测量并分析了铜藻的表面吸收光谱和4种LED光源的发射光谱,发现铜藻在蓝光与红光区各有一个吸收峰,且蓝光区的波峰与红光区的波峰差异显著,蓝光区的波谱宽且平缓,而红光区的则窄且陡峭。因此,蓝光LED光源可满足铜藻生长所需光波,并可作为铜藻人工养殖的补充光源使用。

关键词: 铜藻; 大型海藻; LED; 比生长率; 光照周期
中图分类号:S967.9 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2017)04-0631-06
Effect of LED lightings on growth of Sargassum horneri under different photoperiods
LI Ke, PAN Yaoru, WU Jiaping, XIAO Xi*
Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316000, China
Abstract

In this study, 4 kinds of LED (white, red, green and blue) were tested as light sources for Sargassum horneri cultivation under 4 photoperiods (24 h/0 h, 18 h/6 h, 12 h/12 h, 6 h/18 h, L/D). It was shown that for all LED light sources, maximum biomass accumulation of S. horneri were achieved under the photoperiod of 24 h/0 h(L/D). The surface absorption spectrum of S. horneri and the emission spectrum of 4 LED light sources were also analyzed. The surface absorption spectrum of S. horneri showed a wide peak in blue emission region and a sharp peak in red emission region, respectively. Therefore, blue-LED light could satisfy the growth of S. horneri and would be an ideal supplementary light for S. horneri cultivation.

Keyword: Sargassum horneri; macroalgae; LED; specific growth rate; photoperiod

荧光灯、白炽灯、金属卤素灯等人造光源在藻类生长过程中曾被广泛使用[1, 2]。尽管这些光源可以释放出藻类生长所需光波, 但其所发射的连续光谱并不能被藻类光合作用完全吸收利用, 且其产生的余热可能对藻类的生理结构造成灼伤[3]。发光二极管(LED)作为目前新一代的节能冷光源, 被认为是理想的照明系统光源, 与传统光源相比具有亮度高、能耗低、寿命长、体积小、无辐射、无污染、耐受恶劣环境条件等优势[4, 5]。LED纯色光源的发射光谱波长可控且带宽窄, 与藻类光合器官所吸收的光谱匹配度高, 通过合理优化可达到精准调控藻类形态发育与新陈代谢、提升产量的目的。光质对光合生物的响应调节机制因物种的不同而存在差异。例如在陆地植物中, 孙庆丽等[6]发现红光对水稻幼苗茎的生长伸长具有明显的促进作用, 李慧敏等[7]则发现蓝红复合光能够有效促进秋葵(Abelmoschus esculentus L.)幼苗生长。在水生植物和藻类中, 绿光下的黑藻(Hydrilla verticillata)茎伸长明显[8], 海膜(Halymenia floresii)亦在绿光处理组中生长率最高[9]。因此, 在藻类培养过程中选择适宜的光谱光源至关重要。

铜藻(Sargassum horneri)主要分布于浙江沿海, 且多数为一年生, 是通过有性生殖繁衍的暖温带性大型海藻, 隶属于褐藻门(Phaeophyta)马尾藻属(Sargassum)[10, 11]。铜藻在生态和经济上具有很高的价值。其藻株高大、枝叶繁茂、生长迅速, 在生长过程中提供了固碳释氧、吸收营养盐、调节生物多样性等生态系统服务功能, 同时作为原材料, 在食品、饲料、肥料、医药和化工行业被广泛使用。由于其成片漂浮于养殖海面, 有“ 海中森林” 之称, 被海洋生态学家列为建设海底藻场和实施海洋生态修复的重要物种之一[12]。近年来由于海洋污染严重, 海洋生态环境恶化, 加之海水水质浑浊、光照条件不足等, 导致铜藻的生长环境面临挑战, 如在南麂列岛联合国海洋生态自然保护区内铜藻呈现衰退, 产量锐减[13]; 因此, 开展铜藻光照研究对铜藻资源的保护利用及海域生态环境的修复具有重要意义。

本实验以铜藻为研究对象, 以白、红、绿、蓝4种LED作为光源, 研究铜藻在4种光源下随光照时间改变的生长变化情况, 并分别测量铜藻的表面吸收光谱与各光源的发射光谱, 为人工养殖铜藻在光源和光照时间的选择上提供指导。

1 材料与方法
1.1 实验藻种

实验所使用的铜藻(Sargassum horneri)幼苗, 由浙江海洋水产养殖研究所提供, 2015年6月份取自浙江省温州市洞头区(27° 51'42″N, 121° 11'06″E)。实验前, 铜藻幼苗暂养在盛有灭菌海水的玻璃水缸中, 水温16 ℃, 海水盐度33‰ , 连续曝气。光照系统由传统的荧光灯提供, 光照强度100 μ mol photons· m-2· s-1, 光照周期12 h/12 h(L/D)。暂养过程持续4 d, 每2 d更换1次海水, 并筛选出大小均匀、生长健康的铜藻幼苗作为实验用藻。

1.2 实验海水

天然海水经多级过滤后煮沸灭菌、冷却及加富, 加富后海水中的起始磷酸盐、硝酸盐浓度分别达到15、150 μ mol· L-1。

1.3 实验光源

白、红、绿、蓝4种LED灯带作为铜藻光照实验中的光源, 由2 m长的LED灯带固定在高25 cm、直径20 cm的PVC管内壁, 并提供100 μ mol photons· m-2· s-1的光照强度。LED灯带所用的型号是12-LE-38465(中国欧普公司, 上海), 功率4.5 W· m-1。LED光源的发射光谱由杭州创惠仪器有限公司CMS-2S型光谱分析仪测量。红、绿、蓝3种LED光源均具有较窄的发光光谱, 且发射光谱波峰分别位于631.5、517、462 nm。白光LED光源的发射光谱的波峰则出现在蓝光与绿光区, 分别位于450和537 nm处, 并且在蓝光区的波峰强度明显高于绿光区的波峰, 但其波谱宽度却比绿光区的窄。此外, 白光LED光源分布在红光区右侧的光谱强度下降平缓且弱于在蓝光和绿光区的光谱强度。红光、绿光和蓝光LED光源的光谱半宽度分别为33.5、15.1和21.9 nm。

1.4 实验设计

从筛选出的大小均匀、生长健康的铜藻幼苗中选4株放置于装有500 mL实验海水的圆柱形塑料瓶中(高20 cm、直径10 cm)。以3组这样的装置组成1组处理组放置在同一PVC管中, 白、红、绿、蓝LED光源分别为4组处理组提供光照强度为100 μ mol photons· m-2· s-1的光照。在整个实验过程中, 同时设置4组梯度的光照周期, 分别是24 h/0 h、18 h/6 h、12 h/12 h、6 h/18 h(L/D), 光照时间由公牛牌GND-2型时间控制器自动控制。整个铜藻光照实验在过滤的无菌自然海水中持续培养10 d, 每2 d更换1次营养盐加富的实验海水。

1.5 数据测量

1.5.1 鲜质量和比生长速率

每2 d测量1次各组实验铜藻的鲜质量, 增长速率用比生长速率(SGR)公式计算[14]。

SGR=ln( WtW0)× t-1× 100。 (1)

式(1)中:W0为铜藻的起始鲜质量, g; Wt为经过t d的培养后藻体的鲜质量, g。

1.5.2 LED光源的发射光谱与铜藻的吸收光谱

铜藻吸收光谱的测量方法参照Enrí quez等[15]的乳白玻璃法, 通过在岛津仪器有限公司UV-1800型紫外可见分光光度计中加自制乳白玻璃附件测得。铜藻表面吸收光谱数据计算公式如下[16]:

Ac=1-1 0-AO。 (2)

式(2)中, AO为铜藻表面吸光度, Ac为铜藻表面光利用效率。

1.6 数据处理

在本实验中, 所有处理组均进行单因素方差分析, 对有显著差异的处理进行T检验。

2 结果与分析
2.1 不同光源、光照周期下铜藻的生长情况

铜藻在4种光照周期下的生长情况如图1、图2所示。经过10 d的光照实验, 铜藻在各LED光源下均有明显增长, 其中, 在连续光照条件下(24 h/0 h, L/D)的生长情况最好, 在生物量累积上明显高于其他处理。

在24 h/0 h(L/D)的光照周期下, 前6 d铜藻在各光源下的生长基本保持线性增长, 而在第6天后生长则逐渐变缓。如图1-A所示, 铜藻在绿光LED光源下的生长情况明显优于其他光源, 生长速率也显著高于其他光源。同时, 其生长也是最先开始变缓, 而铜藻在其余3种光源下的生长变缓则是从第8天开始。铜藻在红光LED 24 h的持续照射下, 其藻体生长情况表现最差。在培养前2 d, 白光与绿光LED下的铜藻生长情况基本保持在同一水平, 蓝光下的铜藻生长情况则与红光LED保持在同一水平; 然而, 从第2天开始白光LED光源下的铜藻鲜质量逐渐低于绿光, 而在蓝光下的铜藻鲜质量则开始逐渐高于红光。总的来说, 铜藻在4种LED光源24 h持续光照下的生长情况依次是绿光LED> 白光LED> 蓝光LED> 红光LED。

在18 h/6 h(L/D)的光照周期下, 前4 d, 铜藻在红、绿和蓝3种LED光源下的生长差异并不明显, 基本保持同一线性增长。在白光下, 从第2天开始, 铜藻的增长明显快于其他光源下的增长。而蓝光下的铜藻生长从第4天开始明显变快, 增长速率高于其他光源。整个光照实验过程中, 铜藻在红光和绿光下每天的生长速率基本保持在同一水平, 但是铜藻在绿光下的生长从第8天开始有所变缓。

图1 随光照时间变化铜藻在4种LED光源下的生长变化
A, 24 h/0 h; B, 18 h/6 h; C, 12 h/12 h; D, 6 h/18 hFig.1 Dynamic of Sargassum horneri fresh weight with illumination time changes under 4 LED light sources

在12 h/12 h(L/D)的光照周期下, 蓝光LED光源下的铜藻生长情况优于其余光源。红光LED光源与绿光LED光源下的铜藻生长情况基本处于同一水平, 但生长情况均优于白光LED下的铜藻。

在6 h/18 h(L/D)的光照周期下, 蓝光对铜藻生长表现出明显的促进作用, 生长情况优于其余光源。红光、绿光与白光LED光源下的铜藻生长情况差异不显著, 但从第8天开始, 绿光与白光下的铜藻有叶片脱落, 出现负增长。

图2 随光照时间变化铜藻在4种LED光源下的生长情况
A, 白光LED; B, 红光LED; C, 绿光LED; D, 蓝光LEDFig.2 Dynamics of Sargassum horneri growth rate with photoperiods changes under 4 LED light sources
A, White LED; B, Red LED; C, Green LED; D, Blue LED

2.2 铜藻表面吸收光谱与实验光源光谱比较

铜藻的表面吸收光谱如图3所示, 为方便建立联系, 红光、绿光和蓝光LED光源的光谱半宽度也一同标记在图3上。可以看出, 铜藻吸收光谱有2个主要吸收峰, 分别是位于442 nm处的蓝光吸收峰和671 nm处的红光吸收峰。蓝光吸收峰是一个平台状的吸收峰, 蓝光区包含在这一范围内, 而铜藻在红光吸收峰两侧的吸收光谱要窄且下降明显。此外, 铜藻吸收光谱的波谷则位于绿光与红光区域之间的599 nm处。

图3 铜藻的表面吸收光谱与LED光源的光谱半宽度
A, 蓝光LED光谱半宽度; B, 绿光LED光谱半宽度; C, 红光LED光谱半宽度Fig.3 Surface absorption spectrum of Sargassum horneri and spectral half width of LED lightings
A, Spectral half width of blue LED; B, Spectral half width of green LED; C, Spectral half width of red LED

通过比较实验光源光谱与铜藻表面吸收光谱可以发现:蓝光、绿光LED光源的波峰与白光LED光源左侧的蓝光区波峰均位于铜藻表面吸收光谱较高的区域; 红光LED光源的波峰与白光LED光源右侧的绿光区波峰则位于铜藻表面吸收光谱波谷区域。

3 讨论

铜藻在整个生长过程中对光照条件有着很高的需求。研究发现, 铜藻幼苗适合在长光照条件下生长, 但在连续光照条件下其生长并不具有显著优势[17, 18]。这可能是由于在前述研究中所用光照光源为传统荧光灯, 且实验中提供的光照强度偏低, 长时间使用传统荧光灯产生的热量可能改变培养环境, 从而不利于铜藻生长。本研究发现, 4种光源下铜藻均在连续光照下出现最大生长速率(图2), 但值得注意的是, 在连续光照条件下, 后期铜藻生长变缓(图1-A), 说明长期持续光照对铜藻生长也不利。相关研究表明, 适当的光周期(即光暗交替作用)下, 藻类才能在较长时间内维持正常生长[19]。

本研究通过比较白光、红光、绿光和蓝光4种LED光源对铜藻生长的影响发现, 4组光照周期中白光均能使铜藻保持较高的比生长速率, 且这一效果随光照时间增加而增强。研究表明, 白光作为多种光源的组合结果, 在持续光照条件下释放连续光谱, 有利于植物C、N代谢[20, 21, 22]。除在连续光照条件下外, 铜藻在蓝光LED下的比生长率均高于其他3种LED光源, 与MATSUI等[23]发现经滤光片得到的蓝光对铜藻的生长促进作用明显的结果相一致。

藻类对光源光谱的吸收效率在一定程度上可反映该光源对藻类生长的促进作用程度[24]。本研究发现, 红光LED相较于其他3种LED光源, 对铜藻生长的促进作用不明显。从图3铜藻的表面吸收光谱图中可以发现, 其在红光区的吸收峰窄而陡, 在671 nm附近的吸收也是迅速减少, 并且红光LED光源的发射光谱波峰位于631.5 nm, 半宽度发射光谱位于624~639 nm之间, 这一区域正位于铜藻表面吸收光谱的波谷区域。从光合作用机理来看, 褐藻门大型海藻体内不含叶绿素b, 因此无法有效利用红光[25], 这与本研究结论一致。铜藻的表面吸收光谱显示其在蓝、绿光区均有较高的吸收率, 可能是因为褐藻体门大型海藻含有丰富的岩藻黄素, 可以利用蓝绿光。另外, 本实验中蓝光和绿光LED光源的光谱半宽度位于铜藻表面吸收光谱的较高区域(大于0.8), 这有助于解释本研究条件下蓝绿光促进铜藻生长的现象。白光作为多种光源的组合, 在蓝、绿光区均有1个吸收峰, 但在固定的光照强度下, 白光LED光源分散到各光区的光量子量比纯色光源(红、绿、蓝光LED)要少, 因此其在不同光周期下并未表现出更好的促生作用。

总体来看, 本研究表明, 在持续光照下, 绿光与白光更有利于铜藻生长, 在非持续光照下, 蓝光LED则更适合铜藻幼苗的生长。在实际应用过程中, 蓝光LED是铜藻室内培育或是海区养殖较为理想的补光光源选择。在大型海藻的人工养殖中, 今后可利用海藻表面吸收光谱与特定光谱光源之间的匹配性, 进一步优化选择适宜的光源及光照周期。

谢辞:感谢浙江海洋水产养殖研究所洞头基地王铁杆高级工程师的指导; 感谢张一宁研究员、张鹏研究员及杨鼎俊工程师在藻种及实验器材方面提供的帮助; 感谢浙江大学林芳硕士在实验过程中的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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