水华束丝藻碳氮代谢的特征及相互作用

摘要

蓝细菌通过光合作用利用太阳能固定无机碳并释放出氧气，是地球上氧、碳、氮、氢等元素循环的主要参与者，又是有机物的初级生产者。由于蓝细菌细胞结构简单，主要营养代谢方式与真核生物和高等植物相似，尤其某些蓝细菌具有特殊的固氮能力和方式。因此，采用蓝细菌作为细胞代谢研究模式，可以为生物学基础研究提供平台，也为微藻生物技术的发展奠定了基础。 本论文采用水华束丝藻943作为研究对象，测定了一系列生理、生化指标及代谢关键酶的变化，在细胞水平上考察不同影响因子的作用和效果，研究了不同无机碳源对蓝细菌细胞的生长、分化和衰亡的作用，以及对生长过程中氮源同化作用的影响，并结合文献报道对可能的调控方式进行了探讨。 实验首先对水华束丝藻943进行摇瓶培养，确定其生长条件。结果发现，水华束丝藻在温度为21-22℃、起始pH值为6.37，以及0.4L/min的通气量下有较好的生长，培养基中适合的无机碳源和氮源比例有利于蓝藻细胞维持碳氮代谢闻平衡，单独提高氮源(NO<,3><'->-N)或碳源(CO<,2>)都会影响藻细胞的生长。在实验条件下，铵根离子可彻底抑制水华束丝藻943生长。 培养基中的无机氮源对水华束丝藻的异形胞分化有一定抑制作用，但通入CO<,2>可以诱导水华束丝藻细胞分化产生异形胞。异形胞的分化频率在一定时间内与CO<,2>的通入量有对应关系，表现为随着CO<,2>通入量的增加而增加，当NaHCO<,3>为无机碳源时，异形胞的分化频率几乎没有变化。CO<,2>浓度的增加导致细胞内碳氮比例失衡后，藻细胞没有增加吸收培养基中的结合态氮源，而是产生异形胞固氮，说明藻细胞的氮代谢存在多层次多途径的代谢调控。为进一步考查碳氮代谢关系，实验过程中测定了硝酸还原酶及6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性。结果显示，当CO<,2>含量增加时，硝酸还原酶活性有所下降，证明CO<,2>抑制藻细胞对NO<,3><'->的吸收利用。测定碳氮中间代谢产物2-酮戊二酸在细胞中的积累发现，2-酮戊二酸的含量与异形胞的发生频率有一定对应关系，在异形胞发生频率较高的培养液中，2-酮戊二酸的含量相应增高。 在上述结论的基础上，考察了不同无机碳对其他经济藻种生长的影响。改变培养基中无机碳源含量，测定三角褐指藻和小球藻的生长曲线、硝酸根吸收速率以及碳氮比等参数。三角褐指藻和小球藻分别在1％和3％CO<,2>含量下达到最高生长速率，测定细胞中总糖、总蛋白的积累以及碳氮比，发现细胞中总糖含量和碳氮比随着CO<,2>通入浓度的增加有一定增加，可能是由于CO<,2>浓度升高后对细胞光合作用有一定的促进作用，细胞中总糖含量升高，总蛋白积累量变化不明显。

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第一章文献综述

1.1水华束丝藻简介

1.1.1水华束丝藻的形态特点

1.1.2水华束丝藻的利用价值

1.1.3以水华束丝藻为主的蓝藻水华危害

1.1.4形成蓝藻水华的主要影响因素

1.2蓝藻的光合碳代谢

1.3固氮蓝藻的氮代谢

1.3.1异形胞的形态和作用

1.3.2异形胞中的生物代谢

1.3.3异形胞发育的调控

1.4碳代谢与氮代谢的相互作用

1.5本论文的主要内容

第二章材料与方法

2.1藻种

2.2培养方法

2.2.1培养基

2.2.2藻种的纯化

2.2.3藻细胞的摇床培养

2.2.4藻细胞的气升式反应器培养

2.3试剂及分析测试仪器

2.4生理指标的测定及常规分析

2.4.1细胞干重

2.4.2细胞叶绿素浓度

2.4.3光合放氧测定

2.4.4光强测定

2.4.5异形胞出现频率

2.5化合物定量分析

2.5.1蛋白质分析

2.5.2氮源的利用

2.5.3胞内可溶性总糖的测定

2.5.4细胞中总氮的测定

2.5.5细胞中总碳的测定

2.5.6 2-酮戊二酸的测定

2.6酶活性分析

2.6.1硝酸还原酶活性

2.6.2葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性

2.6.3固氮酶的活性测定

第三章水华束丝藻943生长条件的优化

3.1水华束丝藻静止生长曲线

3.2温度对藻细胞生长的影响

3.3起始pH值对生长的影响

3.4氮源对生长的影响

3.5不同通气量对水华束丝藻的影响

3.6小结

第四章光合碳代谢对氮代谢的影响及相互作用

4.1无机碳对水华束丝藻碳代谢的影响

4.1.1无机碳种类和浓度对水华束丝藻生长和异形胞分化的调控

4.1.2无机碳对水华束丝藻硝酸根吸收速率的作用

4.1.3不同无机碳条件下水华束丝藻细胞中硝酸还原酶的活性

4.1.4不同无机碳条件下水华束丝藻细胞中6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性

4.1.5不同无机碳条件对水华束丝藻光合作用的影响

4.1.6水华束丝藻细胞中总蛋白和总糖的测定

4.1.7水华束丝藻细胞的碳氮比测定

4.1.8水华束丝藻藻液中2-酮戊二酸含量的测定

4.2盐浓度对异形胞分化的影响

4.2.1不同碳源对高盐浓度下水华束丝藻的生长影响和异形胞分化

4.2.2不同盐浓度对硝酸根吸收速率的影响

4.2.3不同无机碳对高盐浓度下藻细胞中硝酸还原酶活性的影响

4.2.4不同无机碳对高盐浓度下藻细胞中6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性的影响

4.3小结

第五章无机碳浓度对小球藻和三角褐指藻生长的影响

5.1无机碳的种类和浓度对三角褐指藻生长的影响

5.1.1三角褐指藻生长曲线的测定

5.1.2不同碳源下三角褐指藻细胞总蛋白和总糖的测定

5.1.3不同碳源下三角褐指藻细胞中碳氮比的测定

5.1.4无机碳对三角褐指藻硝酸根吸收速率的作用

5.2无机碳的种类和浓度对小球藻生长的影响

5.2.1小球藻生长曲线的测定

5.2.2不同碳源下小球藻细胞总蛋白和总糖的测定

5.2.3不同碳源下小球藻细胞中碳氮比的测定

5.2.4无机碳对小球藻硝酸根吸收速率的影响

5.3小结

第六章结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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