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l e d 光源促进微藻生长的研究 摘要 步入2 1 世纪，陆地资源f l 趋匮乏，人类掀起开发利用海洋资源的热潮。海洋微藻 是海洋生态系统中的主要初级生产者，营养丰富，富含微量元素和各类尘物活性物质。 是重要的海洋生物资源。丌展海水养殖，提高养殖技术，从而发展养殖业是合理利用海 洋微藻资源的主要途径。光照对微藻的生长，繁殖、细胞形态、活性物质积聚都有重要 影响，研究光照的作用，应用适当的光照技术加快微藻的生长繁殖，调节其营养成分， 能够有效提高微藻培养的产量和质量。因此，研究光照对微藻生长的影响，是海水养殖 领域的重要课题。 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种新型固体光源，与白炽灯和荧光灯相 比具有优点，被称为继白炽灯，荧光灯和高压气体放电灯后的第四代光源。目前，l e d 在同常照明和显示领域得到广泛应用，将其推向生态照明领域是大势所趋。本文选取四 种具有较高经济价值的饵料藻，采用单色l e d 光源研究了光谱对其生长的影响，初步 解决了生态照明中光谱定量和效率计算等基本问题，尝试了生态照明中l e d 光源的设 计，为l e d 在生态照明领域的应用奠定了基础。 在针对微藻生长的研究中，对光强的度量存在光度量、能量度量和量子度量三种标 准，由于历史原因对三者存在一定程度的混用。本文分析了三种度量标准对应的光的作 用机理，阐明了在微藻培养中应根据光合机理使用量子度量。并在得到三者换算关系的 基础上，根据不同光源的光谱功率密度函数，计算出相应的换算系数，方便了不同度量 标准下实验结果的比较，扩展了相关测量仪器的功能。 以往研究光照对海洋微藻生长的作用偏重于光强和光周期的影响。光谱是光照的 另一重要参量，对于同样大小的光强，在不同光谱结构的光照射下海藻的生长速率并不 相同。另一方面，相关研究中对光谱的表征多采用定性方式，以红光蓝光描述，难以精 确反映相关规律。本文选取水产养殖中四种具有较高经济价值的饵料藻海生小球藻、亚 心形扁藻、等鞭会藻8 7 0 1 和牟氏角毛藻作为实验对象，以单色l e d 面阵光源和荧光灯 照射，从效率和速率两个角度研究了五种不同光谱的光对其生长的影响，结果表明：一、 不同光谱结构的光照在促进微藻生长上有不同的效率：二、连续光谱比带状光谱能获得 更高的最大生长率。在分析光合作用反应机理的基础上，本文根据光照光谱与微藻吸收 谱的匹配关系，提出光谱吸收系数概念，在一定程度上解释了光谱的效率规律，由此可 对光谱参量进行定程度的量化表征。由此，本文选择8 种峰值波长的单色l e d ，根掘 微藻的吸收光谱。通过调节各色l e d 的相对强度，尝试匹配具有连续光谱和高光谱吸 收系数的光谱结构，为l e d 在微藻培养中的实际应用奠定基础。 针对光源在生念照明中的效率闯题，本文在会理定量尘念照明中的光强和总结光谱 对微藻生长影响规律的基础上。提出了根掘光源的发光效率计算其光合效率的公式初 步定量了光源促进微藻生长的生念照明效率。 关键词：微藻；单色l e d ；生态照明；生长；光强度量：光谱 s t u d yo f e f f e c t so fl e do np r o m o t i n gg r o w t ho fm i c r o a l g a e a b s t r a c t p e o p l eh a v es e to f fa l lu p s u r g ei nt h eu t i l i z a t i o no fm a f i n er e s o u r c e sb e c a u s eo ft h es h a r p c o n s u m p t i o no ft e r r e s t r i a lr e s o u r c e s s o m ek i n d so fm i c r o a l g a eh a v eb e c o m ei m p o r t a n t t a r g e t si na q u a c u l t u r ef o rt h e i rr i c hb i o l o g i c a ln u t r i e n t s s i n c el i g h th a sas i g n i f i c a n ti m p a c to n t h eg r o w t ho fa l g a ea n da c c u m u l a t i o no fv a r i o u sb i o a c t i v es u b s t a n c e s ，t h er e s e a r c ho nt h e e f f e c to f u g h to nm i c r o a l g a ec u l t i v a t i o nh a sb e e na ni m p o r t a n ts u b j e c ti na q u a c u l t u r e l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，a san e wt y p eo fs o l i dl i g h ts o u r c e ，i sc o n s i d e r e dt ob e f o u r t h - g e n e r a t i o nl i g h ts o n r c ea f t e ri n c a n d e s c e n tl a m p ，f l u o r e s c e n tl a m pa n dh i g h - p r e s s u r e d i s c h a r g el a m p n o wv a r i o u sk i n d so fl e d h a v eb e e nu s e di ni l l u m i n a t i o na n dd i s p l a yf i e l d s ， a n di t sn a t u r a la n dn e c e s s a r yt oe x t e n di t sa p p l i c a t i o ni n t ot h ef i e l do fe c o l o g y t h i st h e s i s h a ss t u d i e dt h ee f f e c to fl i g h tq u a l i t yo nt h eg r o w t ho ff o u rk i n d so fm i e m a l g a eb yu s i n g m o n o c h r o m a t i cl e d ，d i s c u s s e ds o m ef u n d a m e n t a lq u e s t i o n si ne c o l o g y - l i g h t i n g ，s u c h 鹋t h e q u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o no fl i g h tq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo fl i g h to np r o m o t i n gg r o w t h ， a n da t t e m p t e dt od e s i g nl e dl i g h ts o u r c e sf o re c o l o g y - l i g h t i n g , 8 0l a y saf o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o no f l e di ne c o l o g y - l i g h t i n g t h e r ea r et h r e ek i n d so fm e a s u r e m e n to fl i g h t i n t e n s i t y ，w h i c h a r el u m i n o s i t y m e a s u r e m e n t , r a d i a n tm e a s u r e m e n ta n dq u a n t u mm e a s u r e m e n t d u et oh i s t o r i c a lr e a s o n s ， t h e r ei ss o m em i s u s a g eo ft h et h r e ei ne c o l o g y - l i g h t i n g t h i st h e s i sa n a l y z e st h em e c h a n i s m o ft h et h r e e ，a n de x p l a i n st h a tq u a n t u mm e a s u r e m e n ts h o u l db et h ea p p r o p r i a t eo n ef o r e c o l o g y - l i g h t i n g b a s e d0 1 1t h er e l a t i o no ft h et h r e ei ne n e r g y ，t h ec o n v e r s i o nc o e f f i c i e n t s a m o n gt h et h r e ec a nb ec a l c u l a t e db yu s i n gr e l a t i v ep o w e rd e n s i t ys p e c t r ao fl i g h t ，w h i c h l n a k ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nd i f f e r e n tk i n d so fm e a s u r e m e n tu n i v e r s a l ，a n de x p a n dt h e f u n c t i o no f i n s t r u m e n t sf o rl i g h ti n t e n s i t ym e a s u r i n g i ne c o l o g y l i g h t i n g 1 i g h tq u a l i t yd i d n td r a we n o u g ha t t e n t i o na sl i g h ti n t e n s i t ya n dl i g h t p e r i o d i c i t yi np a s tr e s e a r c h a n dw a sd e s c r i b e di nq u a l i t a t i v ew a y ，s u c ha sb l u el i g h to fr e d l i g h t f o c u s i n go ns p e e da n de f f i c i e n c y , e f f e c t so ff i v ed i f f e r e n ts p e c t r ao nt h eg r o w t ho ff o u r k i n d so f m i c r o a l g a ea r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gm o n o c h r o m a t i cl e da n df l u o r e s c e n tl a m p i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ee f f i c i e n c yo fl i g h ti ne c o l o g y - l i g h t i n gi sa c c o r d i n gt oi t ss p e c t r a ，i e 1 i g h t q u a l i t y ，a n dl i g h tw i t hc o n t i n u o u ss p e c t r ap r o m o t eh i g h e rt o p - g r o w t h - r a t et h a nt h a tw i t hz o n a l s p e c t r a b a s e do nt h ea n a l y s i so fp h o t o s y n t h e s i sr e a c t i o nm e c h a n i s m ，t h ec o n c e p to f a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tt os p e c t r ao fl i g h ti st e n t a t i v e l ya d v a n c e db yc o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nt h es p e c t r ao fl i g h ta n da b s o r p t i o ns p e c t r ao fm i c m a l g a e s i n c ei tc a nb eu s e dt o e x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a ll a w sa tac e r t a i ne x t e n t ，i ti sl o g i c a lt ou s et h ec o n c e p tt oc h a r a c t e r i z e l i g h tq u a l i t yq u a n t i t a t i v e l y a f t e rt h a t l e do f8d i f f e r e n tp e a kw a v e l e n g t h sa l ec h o s e nt o o b t a i ns p e c i a lk i n do fl i g h tb ya d j u s t i n gt h e i rr e l a t i v el i g h ti n t e n s i t y , w h i c hh a sc o n t i n u o u s s p e c t r aa n dh i g ha b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tt os p e c t r a ，a n dt h u si se x p e c t e dt op r o m o t eh i g h g r o w t hr a t eo fm i c r o a l g a e a n dt h i sw o r kl a y saf o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f l e di nm i e r o a l g a ec u l t i v a t i o n f l m h e r m o r e o nt h eb a s eo fa p p r o p r i a t em e a s u r e m e n to fl i g h ti n t e n s i t ya n dq u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o no fl i g h tq u a l i t y , t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gp h o t o s y n t h e t i ce f f i c i e n c yo f l i g h t s o l t l l e cf r o mi t sl u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yi sp r o v i d e dt op r i m a r i l yq u a n t i f yt h ee f f i c i e n c yo f l i g h ts o u r c e si ne c o l o g y - l i g h r i n g k e y w o r d s ：m i c r o a l g a e ；m o n o c h r o m a t i cl e d ；e c o l o g y - l i g h t i n g ；g r o w t h ；l i g h ti n t e n s i t y m e a s u r e m e n t , l i g h tq u a l i t y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果也不包含未获得或其他教育机构的学位 或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字只期：年月r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影6 印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字同期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址： 导师签字矽品 签字日期：争唧年1 月厂日 电话： 邮编 l e d 光源促进微藻生长的研究 l 绪论 1 1 海洋微藻培养的意义 海洋总面积3 6 1 亿平方千米，约占地球表面积的7 l 。海洋生物资源是人类生存 和发展的宝贵财富。步入2 l 世纪，随着陆地资源丌发利用同趋极限，海洋这一蓝色国 土”逐渐成为人类索取食物蛋白和功能食品的巨大宝库，由此弥补陆地资源的严重短缺。 蓝色农业成为各沿海国家优先发展的领域。近年来，美国、只本、加拿大、挪威等发达 国家竞相投入巨资，开展海洋生物基础研究和海洋经济战略研究，并把海洋作为未来人 类生存和发展的“j x l 水宝地”。可以说，2 l 世纪将是“蓝色革命”和“科技兴海”的鼎盛时期。 我国拥有占国土面积近1 4 的海洋国土，有十分丰富的海洋资源，具有广阔的开发 空间和巨大的t 丌发潜力，是我们发展海洋事业的必要条件和有利条件。另一方面，人口 的大量增长和经济发展对资源的过分依赖，将造成自然资源的大量消耗，制约经济的健 康快速持续发展。因此，我们必须探索出一条可持续发展道路，以最少的资源消耗和最 小的环境代价实现资源的可持续利用。针对海洋生物资源的利用来说，一个主要的途径 就是大力发展海水养殖业，创造蓝色农业。海水养殖业，是人类在其所能控制的水域内， 通过改良海洋环境，促进海域内原有的经济生物资源生长繁殖，达到增长水产品总量的 目的；或者完全由人工建立起各种养殖设施，在养殖设施内模拟和优化生物资源在自然 海域中所需的理化条件，并通过人工管理，来大量创造各种生物资源的产业【”。充分利 用水域、滩涂资源，大力发展海水养殖，不仅可以科学合理地利用国土水域资源，为人 们提供丰富的动植物高蛋白食品和工业原料，对改善人们的食物构成，逐步提高全民族 的营养和健康水平，有着积极的作用；而且对发展市场经济，增加出口创汇，促进沿海 居民早日实现“小康”目标，也发挥着重要的作用。 海洋微藻是地球上出现最早的生物，个体微小( 几微米至几十微米) ，种类多( 2 万 多种) ，繁殖快，是海洋生态系统中的主要初级生产者，在海洋生态系统的物质循环和 能量流动中起着极其重要的作用。微藻营养丰富，对太阳能利用效率高，对环境的适应 能力强，易于人工繁殖，繁殖周期短，生长速度快，因此受到人们的重视，成为海水养 殖的重点发展对象。微藻细胞中存在着丰富的结构独特的仞级或次级代谢产物，富含各 类生物活性物质，如蛋白质、多糖、维生素、高度不饱和脂肪酸、甜菜碱、酶、色素、 毒素、抗生素、f 醇、生物抗生素、动物生长促进剂和植物生长调节剂等【2 5 】。这些活 性物质在人们的同常生产生活中具有巨大的经济价值。首先，微藻既可以做成营养丰富 l e d 光源促进徽藻生长的研究 的保健食品又可以作为人类食品添加剂，还可以用于医药。二十碳 烯酸( e p a ) 和二 十二碳六烯酸( d h a ) 等高度不饱和脂肪酸( p u f a ) 具有独特的生理功效，有预防和治疗心 血管疾病、癌症，调节中枢神经、视觉系统的功能，可提高人体的免疫机能，防止记忆 力减退【6 1 。微藻或以微藻为食的浮游动物是经济水生动物的天然饵料，这些饵料的有无 或者优劣是决定鱼、虾、贝类人工育苗成败的关键因素。e p a 和d h a 是许多鱼虾类幼 体的必需脂肪酸，在饵料中适当添加这些物质，可提高其生长速率和存活率。另外，微 藻还具有处理污水和改善水产养殖环境的本领 7 1 。而在科研上，微藻是生物工程的重要 研究对象。总之，微藻具有巨大的经济价值和科研价值，在医药、保健品、化妆品、水 产养殖饵料、饲料添加剂、化工和环保等方面都具有广阔的应用前景，而且，随着现代 生物技术的应用，分离鉴定手段的提高，遗传工程、基因工程等的迅猛发展嘲，人类对 海洋微藻的研究- 丌发已进入一个崭新的时期” 1 2 光照影响微藻生长的研究现状 光照是影响微藻生长的最重要的环境因子之一。光照对微藻的生长、繁殖、藻体颜 色、细胞形态及胞外多糖积聚都有重要影响【1 2 】。自然界中光照的变化具有定的规律性 和稳定性，在微藻的长期进化过程中，光照对它们的影响使它们对光照的反应具有特异 性，不同的微藻都有最适于其生长的最佳光照环境。在微藻培养中，研究光照的作用， 应用适当的光照技术加快培养对象的生长繁殖，调节其营养成分，是提高产量和质量的 重要途径，因此，关于光照对微藻生长影响的研究一直是海水养殖领域的重要课题。光 照作为一个复杂的生态因子，作用因素包括光照强度、光照周期和光谱。综观国内外这 方面的报道，目前研究尚处于个体情况的资料积累阶段。其中，光强和光周期的调节容 易实现，相关研究较多。对于光强的作用规律，一般表现为各种藻类都存在某个最适合 生长的光强范围，此范围之内的光强照射能够推动较高的生长速率，此范围之外的光强 照射将导致生长速率的下降【1 3 - 1 8 。光周期作用规律表现为不同藻类有不同的适合生长的 光暗周期【”之5 】。由于调节光源的光谱结构在实验实现上存在一定的困难，针对光谱方面 的相关研究较少，早期多采用滤光片得到某个波段范围( 某种颜色) 的光f 2 “砷】，研究其 生长效果。张爱琴等以钝顶螺旋藻为材料试验，结果以红光下生长最快，蓝光和绿光下 较差。王伟对中华盒形藻的实验表明，白光下的r 增殖率最大，蓝光次之。吴垠等的研 究表明盐藻在红光或自光下，叉鞭金藻在蓝光或红光下生长较快。2 0 0 1 年徐明芳等报道 l e d 光源促进徽藻生长的研究 了钝顶螺旋藻在l e d 光电板照射下的生长结果【3 0 1 。具体光谱结构对尘长影响的细致研 究尚未见报道。国外关于光谱对微藻生长影响的研究起步较旱积累较多，得到一些深入 机理的成果1 3 , - 3 5 。t a oy o u 等研究了红光和蓝光对p o r p h y r i d i u mc r u e n t u m 生长的影响， 发现红光和蓝光的组合照明能够加快微藻的生长。y o u c h u lj e o n 等设计了一种能够监测 光合作用运行状况的系统。并用h a e m a t o c o c c u sp l u v i a l i s 作为对象实验，发现在促进光 合作用的效果上红光比绿光和仿真开光都要好。n a t h a l i ek o r b e e 用红黄绿蓝白等五种光 照射红藻p o r p h y r ai e u c o s t i c t a ，结果发现红光和白光能够促进较高的光合速率和生长速 率，而蓝光的效果最差。 从目前国内微藻培养所使用的光源看，荧光灯居绝大多数。荧光灯作为同常照明光 源，无论从光谱结构还是从发光效率上看都是理想的选择，但正是因为荧光灯为同常照 明所设计，从国内外关于光照对微藻生长影响的研究结果看，将其作为生态照明光源用 于微藻培养有很大的局限性。与其相比，l i d 新型光源在生态照明上显示了更大的灵活 性，在相关应用上显示了光明的前景。 1 3 l e d 发展现状 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种新型固体光源，与传统的白炽灯和荧 光灯相比，它具有高亮度、低能耗、长寿命、结构紧凑、体积小、平面化、重量轻、方 向性好、响应快、无辐射、无污染、耐各种恶劣条件等优点【3 6 1 ，被称为继白炽灯、荧光 灯和高压气体放电灯之后的第四代光源【3 7 1 。 2 0 世纪6 0 年代，首只g a a s p 红色发光二极管闻世，经过近4 0 年的时间，l e d 的 研究和产业得到迅速发展【3 8 1 。早期的l e d 发光效率很低，光通量很小，颜色单一，主 要应用于指示领域。7 0 年代l e d 的光谱范围覆盖了5 6 5 n m - 9 4 0 n m 间从黄绿色到红外的 范围，9 1 。1 9 8 5 年l e d 发光强度首次突破l c d 【删，是制造高亮度l e d 的开端。1 9 9 6 年 日亚公司制成了世界上第一只白光l e d 【4 ”，并于1 9 9 8 年推上了市场。 2 0 0 3 年6 月，我国正式设立了“国家半导体照明工程项目”的国家绒计划。该计划 由科技部牵头，国家发展和改革委员会、信息产业部等参与，对氮化镓基蓝、绿光l e d 的研究和产业化，都给予了大力支持，并取得了重大进展。 时至今闩，l e d 作为第四代光源已经获得广泛应用：单色l e d 在交通指示、汽车 尾灯、平板显示等特殊照明领域己被大规模应用；在日常照明领域，自光l e d 也占有 l e d 光源促进徽藻生长的研究 一席之地，而且发展迅猛，有取代荧光灯之势。从l e d 光源的迅猛发展趋势看，利用 其众多优良的特性将其推广到生态照明领域是大势所趋，而相关的一些尝试已使l e d 光源的应用优势初见端倪。 1 4l e d 在生态照明中的应用现状 由于人工光源在现代农业中的广泛应用，开发高效率的人工光源逐渐成为农业生产 相关研究中一项非常重要的课题。在生态照明的各种备用光源中，对比目前普遍使用的 荧光灯或高压钠灯而言，l e d 光源具有众多独特的优点。由于具有较高的光电转换效率， 从而发热量少，冷却负荷小。它使用直流电，可连续变化调整光照强度的大小。l e d 光 源易于实现自动控制，多种多样的品类使人们可以选择不同峰值波长的l e d ，将它们组 合使用，从而实现光源光谱的调整，由此进行光谱对植物生长的研究。而给光频率与工 作比可调的特性，允许提供高频间歇给光模式，十分有利于探讨光合作用中光反应与暗 反应的相关机制。此外，对于水产养殖来说，l e d 光源可冕于水下的特点，可以有效减 少水体吸收带来的光能损失，可以有效的避免电能的浪费。另外，l e d 光源还有体积小、 寿命长，波长固定和工作电压低，使用安全等优点。 由于l e d 在生态照明上的众多优势，相关应用是大势所趋。最早将l e d 用于植物栽 培的是日本三菱公司，早在1 9 8 2 年就有关于波长为6 5 0 r i m 的红色l e d 光源用于温室番茄 补光的试验报告。此后，美国n a s a 研究中心也把此项技术作为宇宙基地等闭锁式生命 维持系统( c e l s s ) 的相关技术之一开展研究。1 9 8 7 年以w i s c o n s i n 大学的d rt i b b i t t s 等 为主的研究小组正式采用l e d 光源，开始进行莴苣的栽培试验并形成阶段性成果的研究 报告。1 9 9 2 年日本千叶大学进行了有关l e d 红色光、远红色光对马铃薯生理过程影响的 试验研究。福井大学的冈井成功地进行了西红柿的栽培实验，利用蓝色和红色l e d 作光 源栽培生菜的试验也已经取得成功。目前，兼有红光和蓝光的l e d 光源在日本已投入实 际应用，并发表了植物栽培的研究报告。使用l e d 光源的大规模疏菜生产工厂正在试运 行阶段，其主光源为发光波长为6 6 0 n m 的l e d 面板，育苗光源为白色荧光灯，该系统可 以把培育植物的环境要素控制在最佳状态，从而提高光能利用效率4 ”。2 0 0 5 年1 2 月美 国的l e d t r o n i c s 公司发稚了其研制成功的l e d 植物生长灯，是以红色l e d 为主，辅以特定 比例的蓝色和绿色l e d 的组合光源【蜘( 图1 1 ) 。以色列和中国台湾省的一些研究部门也 进行过有关l e d 在植物工厂的试验【4 卯。国内在l e d 用于生态照明方面还没有系统的研究 4 l e d 光弹促进微藻生长的研究 报道。 图1 1l e d 植物生长灯 1 5 本论文的工作 就目前的形势看，将l e d 光源应用于微藻培养，一方面可以为研究光谱结构对微 藻生长的影响提供一种行之有效的方法手段，从而促进微藻培养光照技术的进步，另一 方面将极大的拓展l e d 的应用领域，为新型光源的推广提供动力，因此，相关研究具 有巨大的实用价值。我们从以下两个方面开展工作，进行相关研究。 ( 1 ) 从生长实验和光合机理两个方面研究光谱结构对微藻生长的影响，探索在生态 照明中量化表征光谱参量的途径。生长实验方面：选取海生小球藻、等鞭会藻8 7 0 1 、亚 心型扁藻和牟氏角毛藻等四种具有较高营养价值和经济价值的常用饵料藻作为实验对 象。以单色l e d 和荧光灯为基本元件，制作具有不同光谱结构的板式光源，主要分线 状光谱和连续光谱两大类。其中，线状光谱三种，分别由峰值波长分别为4 6 4 n l n 、5 6 4 n m 、 6 6 0 n m 的蓝、绿、红三种单色l e d 提供，连续光谱两种，分别由荧光灯和由荧光灯与 峰值波长4 6 4 n m 的蓝色l e d 组合成的光源提供。由此，在光照培养箱中培养实验藻种， 使用自制光源提供光照，光照强度设置7 个梯度，其他培养条件如培养壁、温度、赫度、 p h 值等，均根据文献作最佳设置。通过每同计数单位体积内微藻藻体的数目表征其生长 状况，由此对比不同光谱结构的光照下各种微藻的生长情况，并从快速有效和高效节能 两个方面总结光谱影响生长的规律。另一方面，尝试对光合反应中光能被吸收和利用的 l e d 光源促进微藻生长的研究 过程提出简化模型，从光源光谱和微藻吸收谱入手提供在生态照明中量化表征光谱因 子的方法，在一定程度上解释和推广实验结果。 ( 2 ) 根据对微藻生长实验结果的总结和对光合机理的探讨，一方面由生态照明中光 照强度的合理度量和光谱结构的量化表征，得到在尘，奈照明中计算光源推动光合作用的 能量利用效率的方法；另一方面，由光谱影响微藻生长的规律，选择适当种类的单色 l e d ，将其光谱作为基元光谱作不同的组合，以匹配出能高效快速促进微藻生长的光谱 结构，为制作高效的l e d 光源打下基础。 6 l e d 光源促进微藻生长的研究 2 微藻的光生物物理 光生物学研究低能辐射对生物体的作用，包括可见光与紫外光的波段，主要引起物 质的激发。从生物物理学角度研究光生物学的内容，着重是从光物理与光化学的基础理 论探讨光生物学的有关问题。所以它经常要从各个水平，特别是要从分子水平、亚分子 水平以及量子水平柬探讨这些问题。即使是一些古老的生物学问题，比如藻类的生长 发育。现在也在从分子和量子水平上来探讨。因为光对有机体的作用始于光的吸收，这 本身就是一个量子过程对于微藻的生长发育来说，光主要从光合作用和光形态建成两 个方面产生影响。下面来看一下这两个过程的光生物物理i 删。 2 1 光合作用 2 1 1 光合作用的过程 植物通过光合色素吸收光能进行光合作用，把太阳能转变为化学能，贮存在有机物 中，维持着大气中c 0 2 和0 2 的平衡，提供了动物维持生存的基本食物。根据现在的知 识，可将光合作用的过程划分为四步m ： ( 1 ) 原初反应( 包括光能吸收、传递和电荷分离) 。光合色素吸收光能，并将其传递 给反应中心的叶绿素分子，使它发生电荷分离。 ( 2 ) 光化学反应( 包括电子传递和氧气释放) 。电荷分离释放电子，发生涉及两个光 系统的一系列传递。电荷分离后带正电的反应中心叶绿素分子以获取水分子的电子复 原，从而继续发生电荷分离和电子传递，而水分子失去电子后变成氧气和质子。 ( 3 ) 光合磷酸化。电子传递到n a d p + 形成还原型辅助酶i i ( n a d p h ) ，并且与电子 传递相关联的光合磷酸化形成腺苷三磷酸( a t p ) 。类囊体腔内氢离子积累，形成横跨类 囊体膜的质子浓度梯度，推动a t p 合成酶催化的a t p 合成反应。 “) 二氧化碳同化。二磷酸核酮糖( r u b p ) 羧化酶加氧酶( r u b i s c o ) 催化c 0 2 和 r u b p 相结合( 羧化) 进而产生2 分子磷酸甘油酸( p g a ) ，后者被另一些酶利用n a d p h 和a t p 还原成磷酸丙糖。这些糖一部分用于重新形成r u b p ，以固定更多的c 0 2 ，另一 部分或者在叶绿体内用于合成淀粉，暂时贮存，或者输出到细胞质中用于合成蔗糖。如 图2 1 。 前面三个过程在光合膜上进行，需要光的参与，称作光反应。二氧化碳同化则在叶 绿体的间质中进行，不需要光参与，称作暗反应。前者产生的a t p 和n a d p h 为后者提 供动力。原初反应、电子传递和氧释放以及光合磷酸化等一系列光反应又被称作原初过 l e d 光源促进微藻生长的研究 程l 柏1 在光合作用的原初过程中，光能首先被捕光系统捕获，然后在很短的时间内( 飞 秒到皮秒量级) 内传递到反应中心：在反应中心实现电荷的跨膜分离，进而将光能转化 为电化学能并最终驱动一系列的光化学反应。诸过程的时白j 尺度为，量子的吸收和转化 的时白j 为l o 彤1 0 一s ，电子载体的氧化还原时间为1 0 0 1 0 4 ，氧释放的时日j 为l o 击1o 1 ， 所以原初过程是在l o 一1 0 “时日j 内进行的。 图2 - 1 光合作用的反应过程 2 1 2 光能的吸收与传递 光能的吸收与传递是由光合色素完成的。光合色素包括叶缘素、类胡萝卜素和藻胆 素【4 9 】。其中的少量叶绿素具有特殊的结构，能够进行光化学反应，叫做反应中心叶绿素， 其他的大量光合色素叫做天线色素或捕光色素。光合作用中，捕光色素吸收光能，并传 递给反应中心叶绿素，使其发生电荷分离，进行光化学反应。在高等植物和绿藻中捕光 色素和反应中心的比例约为2 0 0 - 3 0 0 ：1 ，而在紫色光合细菌中约为4 0 2 0 0 ：1 。1 9 3 2 年 e m e r s o n 和a r n o l d 提出光合作用单位( p s u ) 概念，绿色植物和藻类的光合单位，对一 个电子从h 2 0 传递到n a d p + 而言，约合6 0 0 个叶绿素分子【5 。 ( 1 ) 光能的吸收 通常色素分子是处于能量的最低状态一基态( g r o u n ds t a t e ) 。色素分子吸收一个光子 后，引起原子内电子重新排列。低能态的电子获得能量后跃迁到激发念( e x c i t e ds t a t e ) 。 l e d 光源促进徽藻生长的研究 图2 2 所示为叶绿素分子受光激发后的能级变化。各能态之日j 因分子内振动和转动还表 现出若干能级。虚线表示吸收光子后所产尘的电子跃迁或发光，实线表示能量的释放， 半箭头表示电子自旋方向。叶绿素在可见光区有二个吸收峰，分别在红光区与蓝光区。 如果叶绿素分子被蓝光激发，电子就跃迁到能量较高的第二单线态；如果被红光激发， 电子则跃迁到能量较低的第一单线念。处于单线念的电子，其自旋方向保持原有状态， 即配对电子的自旋方向相反。如果电子在激发或退激发过程中，其自旋方向发生了变化， 使原配对的电子自旋方向相同，那么该电子就进入了能级较单线态低的三线念。 卜1 0 警态目 一9 1 一 镌t杰目 图2 2 叶绿素分子对光的吸收 激发态不稳定，经过一定时间就会发生能量转变，转变的方式有以下几种：放热 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过程又称内转换或无辐射退 激。如叶绿素分子吸收光量子可使分子激发到第一与第二单线激发态，决定于吸收的时 红光还是蓝光，但内转换( l p s ) 可使所有这些吸收都形成叶绿素分子的1 s l 态的最低 振动能级。发射荧光与磷光激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能 量。处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为荧光，而处在三线态的叶 绿素分子回至基态时所发出的光称为磷光。磷光波长比荧光波长要长，转换的时间也较 长，而强度只有荧光的l ，需用仪器才能测量到。色素分子问的能量传递。激发惫 的色素分子把激发能传递给处于基念的同种或异种分子而返回基态的过程称为色素分 子问能量的传递。捕光色素分子吸收的光能，若通过发热、发荧光与磷光等方式退激， 能量都被浪费掉，而在光合器罩，捕光叶绿素分子处于第一单线态，能量在分子间传递， 最终到达反应中心色素分子，推动光化学反应发生。 l e d 光源促进徽藻生长的研究 ( 2 ) 能量的传递l 能量传递存在三种不同的情况：快传递：当传递时问t 比分子内的原子核振动 周期( 约l o 。3 s ) 小，因而也比分子白j 振动周期( 约1 0 。2 s ) 小，激发的能量很快传递到 系统的各处：此时应把激发看成属于整个系统，需用完全非定域化方法来处理问题。快 传递为强耦合情形，分子之间相互作用很强，因而分子的电子振动能级及能态改变很大。 分子的吸收光谱随之也改变很大。适中传递：当传递时间f 比原子核振动周期大， 而比分子之间振动周期小，即o o l p s t 6 9 0 n m ) 或较短波长的光( 如 6 5 0 6 7 0 n m ) ，其光合效率均不及两种光一起照射的高【5 2 】。目j i b 对此现象有了令人满意的 解释：在光合作用中存在两个光反应，分别由两个不同的光系统完成。 l e d 光源促进徽藻生长的研究 光合作用中存在两个反应中心，光系统l ( p h o t o s y s t e ml ，p