三角褐指藻的自养、兼养和异养特性研究

论文摘要

微藻的营养方式具有多样性,兼养和异养研究成为近年来国内外藻类生物学领域关注的热点问题。兼养和异养有利于提高微藻生物量和胞内活性物质产量,同时不同营养方式之间转化的叶绿体特征有助于光合作用机理的研究。但迄今为止,能够进行兼养和异养生长的微藻物种有限,并且制约微藻兼养和异养生长的机理尚不清楚。本文以硅藻门的典型藻三角褐指藻（Phaeodactylumtricornutum）为研究对象,从细胞生长、营养吸收、胞内生化组分、光合能力和细胞结构等方面,研究了三角褐指藻的自养、兼养和异养特性,同时探讨了异养生长的光需求机制。1.研究了有机碳种类、浓度和光照强度对三角褐指藻生长的影响。结果表明:三角褐指藻具有兼养和光异养生长的能力,不具备化能异养和光激活异养生长的能力,并且对有机碳的利用具有选择性;三角褐指藻在兼养下的生物量显著提高,50 mM甘油兼养下的最大生物量可达自养的1.46倍,光异养条件下的生物量低于自养;有机碳浓度对其生长的影响呈现正态分布特征;兼养生长不受高光强的限制,兼养和光合自养的饱和光强均为50μmol·m-2·s-1。2.通过对藻液中有机碳、无机氮和磷浓度的测定,研究了三角褐指藻在兼养和光异养下的营养吸收。结果表明:三角褐指藻对有机营养和无机营养的吸收与生长状态相对应,藻细胞快速繁殖的指数生长期,有机碳浓度直线下降;兼养较自养消耗更多的氮和磷来满足生长的需要,光异养消耗的氮和磷浓度低于自养。3.三角褐指藻在不同营养方式下的胞内生化组分存在显著差异,在兼养和光异养条件下,蛋白质含量明显下降,碳水化合物和总脂含量上升,饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸比例提高,多不饱和脂肪酸和EPA比例降低,乙酸钠兼养下的胞内EPA含量和产量分别是自养的1.10倍和1.40倍,甘油和葡萄糖兼养及光异养下的EPA含量和产量均低于自养。4.通过对光合色素含量和组成、常温吸收光谱、低温荧光光谱、光合放氧速率、呼吸速率、PSⅡ最大光能转化效率（Fv/Fm）和电子传递速率（ETR）等指标的测定,研究了三角褐指藻在不同营养方式下的光合能力特征。结果表明:三角褐指藻在兼养和光异养条件下,叶绿素a、叶绿素c和类胡萝卜素含量以及Chl a/Chl c均下降;相对荧光强度和PSⅠ/PSⅡ激发能比例均降低,光合放氧速率、Fv/Fm和ETR均下降,从而表明有机碳降低了三角褐指藻的光合能力,但是有机碳显著提高了三角褐指藻的呼吸速率。5.利用显微镜和透射电镜拍照,观察了三角褐指藻在不同营养方式下的细胞体积和细胞结构的变化。结果表明:在兼养和光异养条件下,三角褐指藻的细胞体积增大,细胞形态由自养条件下纤细的三角放射型转变为中心膨胀的三角短粗型;自养下的类囊体膜垛叠整齐有序,兼养下类囊体膜垛叠程度降低,光异养下类囊体膜呈现非垛叠现象。6.采用不同抑制剂对三角褐指藻生长的影响,以及气相-质谱联用法（GC-MS）测定有机酸,揭示了黑暗制约该藻生长的原因。结果表明:有机碳主要作为三角褐指藻兼养和光异养生长的碳源,光是能量的主要来源;藻细胞中存在琥珀酸脱氢酶和细胞色素氧化酶系统;在完全黑暗条件下,添加葡萄糖的藻液pH显著下降,GC-MS检测到了甲酸和乙酸,推测三角褐指藻利用葡萄糖进行异养生长的光需求机制在于,黑暗条件下末端氧化系统不起作用,从而使藻细胞利用葡萄糖转入了厌氧代谢途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 微藻自养、兼养和异养的研究现状
• 1.1 微藻3种营养方式的概述
• 1.2 微藻3种营养方式的特征
• 2 微藻兼养和异养机理的研究概况
• 2.1 细胞膜通透性对有机碳吸收的影响
• 2.2 酶类系统对有机碳利用的影响
• 2.3 转录调控对有机碳代谢的影响
• 2.4 有机碳代谢产物对异养生长的影响
• 2.5 呼吸代谢产能对异养生长的影响
• 3 微藻兼养和异养研究的重要意义
• 4 主要研究内容
• 4.1 藻株的选择
• 4.2 研究内容
• 4.3 拟解决的关键问题
• 第二章 三角褐指藻在自养、兼养和异养下的生长
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 三角褐指藻的兼养生长特征
• 2.2 三角褐指藻的异养生长特征
• 3 讨论
• 3.1 微藻利用有机碳进行兼养生长具有选择性
• 3.2 兼养生长提高微藻生物量
• 3.3 一些微藻兼养不受高光强的限制
• 3.4 少数微藻具有化能异养生长的能力
• 4 小结
• 第三章 三角褐指藻在自养、兼养和光异养下的营养吸收
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 无机氮和无机磷浓度的测定
• 1.4 有机碳浓度的测定
• 2 结果与分析
• 2.1 三角褐指藻在兼养下的营养吸收
• 2.2 三角褐指藻在光异养下的营养吸收
• 3 讨论
• 4 小结
• 第四章 三角褐指藻在自养、兼养和光异养下的细胞生化组分
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 藻体的收获
• 1.4 胞内物质含量的测定
• 1.5 脂肪酸的提取
• 1.6 脂肪酸的气相色谱分析
• 1.7 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 三角褐指藻在不同营养方式下的生长
• 2.2 三角褐指藻在不同营养方式下的生化组分
• 2.3 三角褐指藻在不同营养方式下的脂肪酸组分
• 2.4 三角褐指藻在不同营养方式下的EPA含量和产量
• 3 讨论
• 3.1 兼养和异养改变胞内生化组分
• 3.2 兼养为EPA生产提供了有效途径
• 4 小结
• 第五章 三角褐指藻在自养、兼养和光异养下的光合能力
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 色素含量的测定
• 1.4 常温吸收光谱的测定
• 1.5 低温荧光光谱的测定
• 1.6 光合放氧速率和呼吸速率的测定
• 1.7 叶绿素荧光的测定
• 1.8 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 三角褐指藻在不同营养方式下的光合色素含量
• 2.2 三角褐指藻在不同营养方式下的常温吸收光谱
• 2.3 三角褐指藻在不同营养方式下的低温荧光光谱
• 2.4 三角褐指藻在不同营养方式下的光合速率和呼吸速率
• 2.5 三角褐指藻在不同营养方式下的Fv/Fm活性和电子传递效率
• 3 讨论
• 3.1 有机碳改变了光合色素组成和含量
• 3.2 有机碳降低了激发能在PSⅡ的分配
• 3.3 有机碳降低了光合放氧速率,提高了呼吸耗氧速率
• 3.4 有机碳降低了PSⅡ活性和电子传递效率
• 4 小结
• 第六章 三角褐指藻在自养、兼养和光异养下的细胞结构
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 细胞体积的测定
• 1.4 显微镜观察
• 1.5 电镜观察
• 2 结果与分析
• 2.1 三角褐指藻在不同营养方式下的细胞体积
• 2.2 三角褐指藻在不同营养方式下的显微结构
• 2.3 三角褐指藻在不同营养方式下的超显微结构
• 3 讨论
• 3.1 兼养和光异养下的细胞体积大于自养细胞体积
• 3.2 兼养和光异养下的类囊体膜垛叠程度降低
• 4 小结
• 第七章 三角褐指藻异养的光需求机制
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养条件
• 1.2 实验设计
• 1.3 脂肪酸的提取
• 1.4 脂肪酸的气相色谱分析
• 2 结果与分析
• 2.1 兼养和光异养的碳源和能量来源
• 2.2 异养生长的光需求机制
• 3 讨论
• 3.1 有机碳主要作为碳源,兼养和光异养的能量来源主要是光
• 3.2 有机酸的存在证实了完全黑暗下藻细胞转入厌氧代谢途径
• 4 小结
• 第八章 总结及展望
• 1 总结论
• 2 展望
• 参考文献
• 附录
• 在读期间的科研情况
• 致谢