Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology)

Combine effect of temperature and photoperiod on growth and biomass of green algae Scenedesmus quadricauda

Document Type : Research Paper

Abstract

Temperature and photoperiod affect on the growth and biomass of microalgae. In this study, combined effects of different temperatures (20, 25 and 30°C) and different photoperiods (8L:16D, 12L:12D and 16L:8D) on the density, specific growth rate (SGR), doubling time (Dt) and biomass of freshwater green microalgae Scenedesmus quadricauda were investigated. The experiment was carried out as completely randomized design in Bold Basal,s Medium (BBM) for 16 days. Results showed that density, specific growth rate, doubling time and biomass are significant differences among treatments (P< 0.05). The maximum density (2.11×107 cell/ml), specific growth rate (0.24 /day), biomass (0.30 mg/ml) and the minimum doubling time (2.87 day) were obtained at 16L:8D photoperiod and 30 °C. The minimum density (8.18×106 cell/ml), minimum SGR (0.178 /day), minimum dry biomass (0.094 mg/ml) and maximum Dt (3.897 day) were at 8L:16D light/dark photoperiod and 20 °C, respectively. Based on obtained results, it is concluded that the increasing of light hours as photoperiod in combination with higher temperature could be make better performance for S. quadricauda in mass culture.

Keywords

Main Subjects

اثر ترکیبی درجه حرارت و دوره­های نوری بر رشد و زیست‌توده در جلبک سبز Scenedesmus quadricauda 

زهرا شاهینی شمس‌آبادی1، امیدوار فرهادیان1* و مهدی کدیور 2

1 اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده منابع طبیعی، گروه شیلات 

2 اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده کشاورزی، گروه علوم و صنایع غذایی

تاریخ دریافت: 8/7/94                  تاریخ پذیرش: 16/12/95 

چکیده

درجه حرارت و دوره نوری بر رشد و زیست‌توده در ریز جلبک­ها تأثیر دارد. در این تحقیق تأثیر ترکیبی دماهای مختلف 20، 25 و 30 درجه سانتی­گراد و دوره‌های نوری مختلف D16L:8 ، D12L:12 و D8L:16 بر تراکم، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و تولید زیست‌توده ریز جلبک سبز آب شیرین Scenedesmus quadricaudaمورد بررسی قرار گرفت. آزمایش به صورت یک طرح کاملاً تصادفی در محیط کشت  (BBM) Bold Basal’s Mediumبه مدت 16 روز انجام شد. نتایج نشان داد که تراکم جمعیت، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن جمعیت و مقدار زیست‌توده تفاوت معنی­داری در بین تیمار­های آزمایشی دارد (05/0P <). بالاترین تراکم (107×11/2  سلول در میلی­لیتر)، بیشترین میزان رشد ویژه (24/0 بر روز)، بیشترین میزان زیست‌توده (30/0 میلی­گرم در میلی­لیتر) و کمترین زمان دو برابر شدن (87/2 روز) در دوره نوری  D8L:16 و دمای 30 درجه سانتی­گراد بدست آمد. کمترین تراکم (106×18/8 سلول در میلی لیتر)، کمترین میزان رشد ویژه (178/0 بر روز)، کمترین میزان زیست‌توده (094/0 میلی­گرم در میلی­لیتر) و بیشترین زمان دو برابر شدن (897/3 روز) در دوره نوری  D8L:16 و 30 درجه سانتی­گراد بدست آمد. بر اساس نتایج بدست آمده می‌توان بیان نمود که افزایش توأم ساعات نوری با درجه حرارت می‌تواند سبب بهبود عملکرد جلبک S. quadricauda در کشت‌های انبوه گردد.

واژه‌های کلیدی: دما، دوره نوری، رشد، زیست‌توده، Scenedesmus quadricauda 

* نویسنده مسئول، تلفن: 3913564-0313 ، پست الکترونیکی: omfarhad@cc.iut.ac.ir

مقدمه

 

جلبک­های تک سلولی (Microalgae) به‌عنوان تولیدکنندگان اولیه نقش بسیار مهمی در اکوسیستم­های آبی به لحاظ تأمین مواد و انرژی دارند (14). آنها در مراحل رشد و نمو لاروی برخی از گونه های ماهیان، سخت پوستان و دو کفه‌ای­ها به‌عنوان غذا کاربرد دارند (6 و 30). تاکنون گونه­های زیادی از ریزجلبک­ها شناسایی شده است. در حال حاضر تنها تعداد اندکی از آنها دارای اهمیت تجاری هستند و برای استخراج ترکیبات با ارزش مانند رنگدانه­ها و یا پروتئین ها پرورش داده می­شوند. ریزجلبک­ها یک منبع طبیعی مورد توجه از ترکیباتی با فعالیت زیستی هستند که می­توانند به‌عنوان ترکیبات اولیه در صنعت داروسازی مورد استفاده قرار گیرند (31).

جلبک­های سبز کلروفیسه یک گروه بزرگ و متنوع از موجودات آبزی هستند. جنس Scenedesmus متعلق به خانواده Scenedesmaceae از راسته Chlorochocals از جلبک­های سبز کلروفیسه است که در زمینه­های مختلف زیستی کاربرد فراوان دارد (18). این جلبک معمولاً به‌عنوان میکروارگانیسم­ استاندارد در بسیاری از تحقیقات آبی، تکنولوژی و مدیریت آب مطرح است (4 و43).

عوامل محیطی از قبیل شدت نور، دوره نوری، دما و ترکیب مواد مغذی محیط کشت بر میزان رشد و زیست توده ریز جلبک­ها تأثیرات مهمی دارند (6، 24و 42). نور و دما از فاکتور­های اصلی مؤثر بر تولید زیست توده در محیط کشت­های فتواتوتروفیک هستند (11، 19 و 39). نور منبع انرژی رشد را فراهم کرده و برای سلول فتواتوتروفیک کاملاً ضروریست. موفقیت در تولید زیست توده جلبکی به استفاده کارآمد و بهینه از این انرژی نوری بستگی دارد. تغییر در کمیت و کیفیت نور یقیناً عامل محیطی تأثیرگذاری بر سیستم فتوسنتز، تولید ترکیبات بیوشیمیایی در سلول­ها و روند رشد در جلبک­هاست (22، 27، 28 و 33). علاوه بر این، عامل مهم دیگر دوره نوری است که بر چرخه­های شبانه­روزی فتوسنتزی، تنفس سلولی، میزان رشد و تقسیم سلولی تأثیر دارد. علاوه بر این، دوره نوری بر فعالیت­های آنزیمی و سنتز ماکرومولکول­ها تأثیر دارد (10، 17 و 26).

یکی دیگر از عوامل مهم محیطی مؤثر بر عملکرد جلبکها درجه حرارت  آب به‌عنوان یک فاکتور کلیدی است. زیرا میزان پایه و معمول تمام واکنش­های شیمیایی در سلول های جلبکی در کنترل دما می باشد (34). همچنین دما از عواملی است که بر میزان رشد جلبک، اندازه سلول، ترکیب بیوشیمیایی و نیازهای غذایی جلبک تأثیر می­گذارد (23).

   جلبک سبز Scenedesmus quadricauda یکی از معمول­ترین جلبک­ها در محیط­های آب شیرین است. سلول­های این جلبک غیرمتحرک، فاقد تاژک و دارای کلنی است (8). این گونه جلبکی دارای 47 درصد پروتئین و 9/1 درصد چربی بوده که این جلبک را از نظر کاربردی با اهمیت نموده، به‌طوری‌که امروزه مصارف گوناگونی از نظر غذایی، کشاورزی، تولید ویتامین و سایر جنبه های کاربردی دارد و همچنین این گونه در پرورش زئوپلانکتون­ها به‌عنوان غذای زنده در پرورش لارو بسیاری از آبزیان پرورشی کاربرد فراوانی دارد (2 و 3). ایجاد شرایط بهینه برای تولید این گونه در مقیاس بالا نیازمند آن است که شرایط مختلف در مقیاس آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گیرد. بنابراین لازم است برای ایجاد شرایط مطلوب، رفتار این گونه، تحت شرایط محیطی مختلف بررسی شود. در این پژوهش تأثیر ترکیبی دوره­های نوری و درجه حرارت­های مختلف بر رشد و تولید جلبک S. quadricauda در شرایط کنترل شده آزمایشگاهیمورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روشها

جمع‌آوری و خالص سازی جلبک: جلبک
S. quadricaudaاز استخر­های پرورش ماهی و کانال­های آبی جمع آوری شد. جلبک سندسموس پس از مشاهده با میکروسکوپ اینورت (مدل CETI، ساخت بلژیک) به کمک کلید­های موجود مورد شناسایی قرار گرفت (8). سپس S. quadricaudaطبق روش Lavens و Sorgeloos در سال 1996 با کشت روی آگار خالص‌سازی گردید (25). در مرحله بعد با کشت­های متوالی ابتدا در لوله آزمایش 20 میلی­لیتر و بعد در ارلن مایر­های 250 میلی­لیتر حجم سلولهای جلبک خالص شده افزایش داده شد. برای اطمینان از عدم آلودگی به باکتریها از محیط کشت جامد نوترینت آگار (NA) برای بررسی تعداد کلنی های استفاده گردید. جلبک ها با استفاده از لام هموسیتومتر در زیر میکروسکوپ مورد شمارش قرار گرفت.

پرورش جلبک در ارلن مایر­های 2 لیتری با محیط کشت تخصصی BBM انجام شد، به‌طوری‌که به ازای هر لیتر آب مقطر 10 میلی لیتر از عناصر پرمصرف و 1 میلی لیتر از سایر استوک های کم مصرف بطور جداگانه اضافه گردید (29). بنابراین، برای کشت جلبک با حجم دو لیتر، ابتدا آب مقطر در ارلن مایر­های شیشه ای ریخته شد و به آن مقدار 26 میلی­لیتر محیط کشت BBM اضافه گردید. ارلن مایرهای آماده شده پس از تنظیم pH در 9/6 همراه با پنبه­های کتانی مورد نیاز در دمای 121 درجه سانتی­گراد به مدت 15 دقیقه در دستگاه اتوکلاو (مدل 121A، ساخت ایران) ضدعفونی و استریل شد. پس از اتمام اتوکلاو و هم دما شدن ظروف با دمای آزمایشگاه، محلول ویتامین B از قبل استریل شده با لامپ ماورابنفش طبق دستورالعمل اختصاصی کشت به میزان 3 میلی­لیتر در لیتر به هر ظرف کشت اضافه گردید و بعد با رعایت شرایط استریل به هم زده شد. در مرحله بعد، 200 میلی­لیتر از ذخیره جلبک S. quadricaudaبه محیط کشت دارای ویتامین اضافه گردید و در دمای 1±22 درجه سانتی­گراد و شدت نور 60 میکرومول فوتون بر متر مربع بر ثانیه و در دوره نوری 12 ساعت روشنایی و 12 ساعت تاریکی قرار داده شد (35). هوادهی جلبک با استفاده از پمپ های هوادهی آکواریوم بطور تمام وقت انجام شد.

آماده سازی اتاقک رشد: به‌منظور آماده سازی دوره­های نوری مناسب در تیمار­ها، سه اتاقک به ابعاد 90×160×180 سانتی­متر ساخته شد. هر اتاقک با لامپ فلوئورسنت (نور مهتابی) تجهیز گردید تا در تمام اتاقک­ها شدت نور مناسب 60 میکرومول فوتون بر متر مربع در ثانیه به طور ثابت تنظیم گردد. به‌منظور جلوگیری از ورود نور به فضای داخل اتاقک­ها، سقف و دیوار­ها با پلاستیک مشکی پوشانده شد. دمای درون اتاقک رشد 18 درجه سانتی‌گراد با نوسان ±1 در آزمایشگاه تنظیم و برای اجرای پروتکل نوری در هر یک از تیمار­ها (مثلاً 8 ساعت نور: 16 ساعت تاریکی در تیمار D16L:8) از سه عدد ساعت فرمان (Fur Aussen-geeignet مدل IP44، ساخت آلمان)، هریک به طور اختصاصی برای یک تیمار در تمام دوره آزمایش استفاده گردید. دما با استفاده از بخاری (Atman مدل AT180، ساخت ایران) تنظیم و تلاش گردید تا دمای ظروف آزمایشی در تیمارها حدود 1±20، 1±25 و 1±30 درجه سانتی­گراد ثابت باشد. آزمایش در یک دوره 16 روزه و شمارش جلبک­ها هر دو روز یکبار انجام گردید.

نحوه انجام آزمایش: به‌منظور بررسی تأثیر متقابل دما و دوره نوری بر تراکم جمعیت، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و تولید زیست توده جمعیت S. quadricauda، آزمایش در قالب طرح کاملاً تصادفی با 9 تیمارو 4 تکرار (3 تیمار دمایی 20، 25 و 30 درجه سانتی­گراد و 3 تیمار نوری D16L:8، D12L:12 و D8L:16 روشنایی: تاریکی) انجام شد. جلبک S. quadricauda در ارلن مایر­های 5 لیتری حاوی 65 میلی لیتر محیط کشت BBM با غلظت اولیه 105×5 سلول در میلی لیتر و زیست توده اولیه 012/0 میلی گرم در میلی لیتر در هر ارلن مایر، به مدت 16 روز و در شدت نور 60 میکرومول فوتون بر متر مربع در ثانیه کشت داده شد. شمارش جلبکها با استفاده از لام هموسیتومتری و روش مارتینز و همکاران در سال 2000 انجام و زیست توده با روش Lavens و Sorgeloos در سال 1996 محاسبه گردید  (25). تراکم جلبک­ها از روز اول تا روز 16، هر دو روز یکبار اندازه‌گیری شد ولی با توجه به اینکه در روز 16 بیشترین میزان تراکم مشاهده شد، داده های روز 16 ملاک مقایسه و بررسی قرار گرفت.

برای اندازه گیری زیست توده، از نمونه مورد نظر 300 میلی لیتر محلول جلبکی برداشته شد و با کاغذهای صافی غشایی از قبل توزین شده، فیلتر گردید. کاغذ صافی حاوی محلول جلبکی در آون الکتریکی (مدل Shimifan Lo.141) در دمای 80 درجه سانتی گراد به مدت 4 ساعت خشک گردید و پس از خشک شدن، کاغذ صافی در دسیکاتور نگهداری شد و پس از همدما شدن با محیط آزمایشگاه بوسیله یک ترازوی دیجیتالی (مدل Shimadzu LIBROR AEU-210) مورد توزین قرار گرفت تا اختلاف وزن حاصل نشان دهنده وزن خشک جلبک باشد. با توجه به اینکه اختلاف وزن مربوط به 300 میلی لیتر جلبک فیلتر شده می باشد، لذا برای محاسبه وزن خشک یک میلی لیتر جلبک، عدد 300 به‌عنوان V در فرمول زیر لحاظ گردید تا وزن خشک بر حسب میلی‌گرم بر میلی لیتر محاسبه گردد.

 

DWA  =  وزن خشک کاغذ صافی و جلبک

DWC = وزن خشک کاغذ صافی قبل از فیلتر کردن جلبک

V = حجم محلول جلبکی فیلتر شده

N= تراکم جلبک بر حسب سلول بر میلی­لیتر

به‌منظور محاسبه سرعت رشد ویژه  (SGR: Specific Growth Rate) از رابطه  SGR= (ln N2-ln N1)/ استفاده شد که در آن N2 تعداد سلول­های جلبک در انتهای آزمایش و N1 تعداد سلول­های جلبک در ابتدای آزمایش و  مدت زمان انجام آزمایش است (21). زمان دوبرابر شدن (Dt) جمعیت جلبک­ها با استفاده از رابطه Dt=log2e/SGR محاسبه گردید (21).

آنالیز آماری داده‌ها با تجزیه واریانس دو طرفه
(Two-way ANOVA) انجام شد. برای مقایسه میانگین­ها از آزمون دانکن در سطح معنی دار 5 درصد استفاده شد (42). کار­های آماری لازم با استفاده از نرم افزار آماری SPSS نسخه 22 (38) انجام گردید.

نتایج

نتایج حاصل از آنالیز واریانس دوطرفه (Two-way ANOVA) تأثیر دوره نوری (D16L:8 ، D12L:12 و D8L:16) و دما (20، 25 و 30 درجه سانتی­گراد) روی تراکم، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و میزان زیست توده جمعیت S. quadricauda در جدول 1 ارائه شده است. نتایج آنالیز نشان داد که رژیم نوری و دما بطور مجزا و بطور متقابل بر تراکم سلولی جمعیت تأثیر معنی داری دارند، در حالیکه دما و تأثیر متقابل دما و رژیم نوری بر میزان رشد ویژه تأثیر معنی داری ندارد و به عبارت دیگر تأثیر دما معنی دار نیست. در مورد زمان دوبرابر شدن و زیست توده جلبکی تفاوت معنی داری به لحاظ رژیم نوری ، دما و تأثیر متقابل دما و نور مشاهده گردید.

نتایج حاصل از میانگین رشد در طی روزهای آغازین تا روز 16 افزایش داشت و  پس از روز 16 جمعیت جلبکی کاهش یافت، لذا مقایسه روند رشد بین تیمارهای مختلف نوری و دمایی در طی 16 روز پرورش انجام شد. تراکم، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و میزان زیست توده جمعیت S. quadricaudaدر درجه حرارت و دوره­های نوری مختلف در شکل 1 ارائه شده است. بالاترین میانگین تراکم (21175000 سلول در میلی­لیتر)، بیشترین میزان رشد ویژه (241/0 بر روز)، بیشترین میزان زیست توده (301/0 میلی­گرم در میلی­لیتر) و کمترین زمان دو برابر شدن (875/2 روز) جمعیت ریز­جلبک S. quadricauda در دوره نوری D8L:16 و دمای 30 درجه سانتی­گراد بدست آمد. کمترین میانگین تراکم (8182500 سلول در میلی­لیتر)، کمترین میزان رشد ویژه (178/0بر روز)، کمترین میزان زیست توده (094/0 میلی­گرم در میلی­لیتر) و بیشترین زمان دو برابر شدن (897/3 روز) در دوره نوری D16L:8 و دمای 20 درجه سانتی­گراد بدست آمد. سایر تیمارها روند حدواسط و نوسان دار را در مورد عملکرد جلبک در دماها و رژیم های مختلف از خود نشان داد.

بحث

طبق تحقیقات مختلف دما بر میزان رشد ریز جلبک­ها بسیار تأثیرگذار است. این تحقیق نشان داد که جلبک تک سلولی S. quadricauda در دوره نوری D8L:16 در دمای 30 درجه سانتی­گراد بخوبی رشد می­کند، در حالیکه این گونه در دوره نوری D12L:12 و D16L:8 در دما­های مذکور رشد کمتری دارد. میزان رشد ویژه در دوره­های نوری D16L:8 ، D12L:12 و D8L:16 به‌ترتیب 204/0، 229/0 و 241/0 بر روز در دمای 30 درجه سانتی­گراد، 203/0، 214/0 و 233/0 بر روز در دمای 25 درجه سانتی­گراد و 178/0، 210/0 و 235/0 بر روز در دمای 20 درجه سانتی­گراد بدست آمد. بنابراین می‌توان گفت کاهش دما سبب کاهش میزان رشد می­شود. این نتایج در توافق کلی با نتایج گزارش شده سایر محققان مبنی بر میزان رشد بالا در دماها­ی بالا بود. برای مثال، جونجا و همکاران در سال 2013 با بررسی پارامتر­های محیطی بر رشد جلبک­ها بیان نمودند که در دما­های کمتر از دمای بهینه، سرعت رشد کاهش می­یابد.

 

جدول 1- آنالیز واریانس دوطرفه (Two-way ANOVA) از تأثیر دوره نوری (D16L:8 ، D12L:12 و D8L:16) و دما (20، 25 و 30 درجه سانتی­گراد) روی تراکم جمعیت، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و تولید زیست توده در S. quadricauda. تعداد تکرار 4 در هر تیمار.

عامل

منابع تنوع

درجه آزادی

مجموع مربعات

میانگین مربعات

میزان F

سطح معنی داری

تراکم سلول

تیمار

8

1014×776/5

1013×220/7

461/69

×

رژیم نوری

2

1015×829/4

1014×414/2

285/232

×

دما

2

1013×080/7

1013×540/3

059/34

×

رژیم نوری× دما

4

1013×390/2

1012×976/5

749/5

×

خطا

27

1013×806/2

1012×039/1

 

 

کل

36

1015×859/8

 

 

 

میزان رشد ویژه

تیمار

8

013/0

002/0

769/74

×

رژیم نوری

2

010/0

005/0

448/235

×

دما

2

002/0

001/0

988/41

 

رژیم نوری× دما

4

001/0

000/0

819/10

 

خطا

27

001/0

5-10×155/2

 

 

کل

36

698/1

 

 

 

زمان دو برابر شدن

تیمار

8

276/3

409/0

718/95

×

رژیم نوری

2

439/2

220/1

099/285

×

دما

2

493/0

246/0

585/57

×

رژیم نوری× دما

4

344/0

086/0

094/0

×

خطا

27

115/0

004/0

 

 

کل

36

518/379

 

 

 

زیست توده

تیمار

8

119/0

015/0

852/41

×

رژیم نوری

2

090/0

045/0

129/127

×

دما

2

024/0

012/0

683/33

×

رژیم نوری× دما

4

005/0

001/0

298/3

×

خطا

27

010/0

000/0

 

 

کل

36

381/1

 

 

 

×: به معنی اینکه در سطح 5 درصد معنی دار می­باشد (05/0>P).

 

 

 

الف

 

ب

 

0
 

 

ج

 

د

 

شکل 1- میانگین (± خطای استاندارد، تعداد تکرار= 4) رشد و تولید زیست توده جمعیت S. quadricaudaپرورش داده شده در شرایط نوری و دمایی مختلف. (الف) تراکم جمعیت، (ب) میزان رشد ویژه، (ج) زمان دو برابر شدن، (د) تولید زیست توده. میانگین­های دارای حداقل یک حرف مشابه از نظر آماری با آزمون دانکن در سطح معنی دار 5 درصد با هم اختلاف ندارند (05/0

 

آنان دلیل کاهش سرعت رشد در دما­های پایین را تغییر ویسکوزیته سیتوپلاسم و کاهش بهره­وری سلول از کربن و نیتروژن گزارش کردند (23). همچنین کاهش رشد در دمای پایین می­تواند به دلیل کاهش بازده فتوسنتزی و یا افزایش حجم سلول به دلیل اختلال در تقسیم سلول در شرایط رشد غیر مطلوب باشد، به‌طوری‌که کوچیاری و همکاران در سال 2008 در بررسی نقش دما و شوری بر رشد جلبک Fibrocapsa japonica بیان کردند که با کاهش دما (16 درجه سانتی­گراد) تحت غلظت­های مختلف شوری میزان رشد کاهش  و در دما­های بالا (20 و 26 درجه سانتی­گراد) میزان رشد افزایش می­یابد (13). در برخی مطالعات بیان شده است که دما با تأثیر بر فعالیت آنزیم Rubisco (آنزیم کاتالیزوری درگیر در فعالیت کربوکسیلازی در فتوسنتز) بر فتوسنتز اثر می­گذارد، به‌طوری‌که سالوسی و کرافتس براندر در سال 2004 گزارش کردند که دما­های بالاتر از 30 درجه سانتی­گراد سبب کاهش تمایل آنزیم Rubisco به دی اکسید کربن می­شود و از این‌رو به‌عنوان یک عامل محدود کننده فتوسنتز، میزان تولید زیست توده را کاهش می­دهد (36).

شرایط نوری نیز فاکتور مهم و مؤثری بر فیزیولوژی فیتوپلانکتون­ها است و به‌عنوان منبع انرژی و عامل مهم فتوسنتز برای رشد ریزجلبک­های فتواتوتروفیک بسیار ضروریست. نیاز گونه­های مختلف جلبکی به نور از نظر کیفیت، شدت و همچنین دوره نوری متفاوت است. بر طبق مطالعات انجام شده تغییر در کمیت، کیفیت و شدت نور می­تواند موجب تغییر در ترکیب رنگدانه­ها، تغییر در زنجیره انتقال الکترون، فعالیت آنزیمی، روند فتوسنتز و تنفس و همچنین تغییر در ترکیب بیوشیمیایی و در نتیجه تغییر در روند رشد جلبک­ها شود (14، 16، 20 و 37).

نور چه به صورت طبیعی یا مصنوعی، انرژی لازم برای انتقال الکترون از آب بهNADP+  و تشکیل NADPH و در نهایت تولید ATP را فراهم می­کند. همچنین ضرورت فاز تاریکی در فرایند فتوسنتز خود دو نوع واکنش توجیه‌پذیر دارد. یکی فاز فتوشیمیایی وابسته به نور است که در غشا­های فتوسنتزی کلروپلاست رخ می‌دهد و در آن تبدیل انرژی نوری به انرژی شیمیایی ATP) و (NADPH است. مرحله دیگر تثبیت کربن است که مستقل از نور نمی‌باشد بلکه تنظیم بعضی آنزیم های درگیر در این مرحله نیز توسط نور در استرومای کلروپلاست رخ می‌دهد و در نهایت انرژی شیمیایی با تثبیت CO2 از طریق چرخه کالوین در نشاسته ذخیره می‌گردد و در واقع زیست توده جلبکی را افزایش می‌دهد. هرچند در این تحقیق میزان نشاسته اندازه گیری نشد اما استنباط ما مانند مقالات مشابه در مورد علت افزایش بیوماس به افزایش نشاسته می‌تواند مرتبط باشد.

بطور کلی می‌توان بیان نمود که رشد سلول تحت شرایط بهینه نور، منجر به تجمع کربوهیدرات به عنوان ماده ذخیره‌ای برای سوخت و ساز و رشد می­شود و در نهایت منجر به تولید میزان بالای زیست توده می­شود (9، 10،10، 41 و42). نتایج به دست آمده از تحقیق ما نیز نشان داد که میزان زیست توده در دما­های 20، 25 و 30 درجه سانتی‌گراد به‌ترتیب 209/0، 247/0 و 301/0 میلی­گرم در میلی­لیتر در دوره نوری D8L:16 و 160/0، 171/0 و 197/0 میلی­گرم در میلی­لیتر در دوره نوری D12L:12 و 094/0، 147/0 و 154/0 میلی­گرم در میلی­لیتر در دوره نوری D16L:8 بود.

تزونیس و همکاران در سال 1997 بیان کردند که فتواتوتروف­ها با مقدار انرژی قابل دسترس در سیستم فتوسنتزکننده قادرند که میزان تولید زیست توده و تثبیت کربن را تعیین نمایند. بنابراین بطور نسبی می توان استباط کرد که زمان روشنایی طولانی‌تر به شرط عدم آسیب به مولکول کلروفیل می تواند باعث افزایش تقسیم سلول­ها و زیست توده جلبکی ­گردد (40). بطور مشابهی ریکموند در سال 2004 بیان کرد در صورتی که میزان نور دریافتی توسط گیاه کمتر از میزان مورد نیاز آن باشد، گیاه قادر به کسب انرژی لازم و عمل فتوسنتز نخواهد بود و این مسئله موجب کاهش در رشد می­شود (35)، همچنین آندرسون در سال 2005 بیان کرد، دوره­های نوری مناسب برای بیشتر ریزجلبک­ها از D12L:12 تا D8L:16 متغیر هستند (7).

در تحقیق دیگری امینی خوئی و همکاران در سال 2012 دوره­های نوری D16L:8 ، D12L:12 و D8L:16 و شدت­های نوری 5/37، 5/62 و 100 میکرومول فوتون بر متر مربع در ثانیه را برای ارزیابی رشد مورد آزمایش قرار دادند. آنان تولید زیست توده جلبک Chlorella vulgaris را وابسته به دوره نوری دانسته و بیان کردند که میزان زیست توده در هر سه شدت نور در دوره­های نوری طولانی‌تر، بیشتر است (6). سلمانی‌نژاد در سال 1394 نیز بالاترین میزان رشد در جلبک saline    Dunaliellaرا در شدت نور 40 میکرومول بیان نمود و گزارش داد که شدت نورهای بالا منجربه افزایش میزان رشد در این جلبک نمی‌شود (1). علاوه بر این، وهیدین و همکاران در سال 2013 در بررسی اثر سه شدت نور 50، 100 و 200 میکرومول در مترمربع در ثانیه  و سه دوره نوری D12L:12 ، D6L:18 و D00L:24 بر روی رشد ریزجلبک دریاییNannochloropsis sp. انجام شد، بالاترین تراکم سلولی و میزان رشد ویژه را در دوره نوری D6L:18 با شدت نور 100 میکرومول در مترمربع در ثانیه و کمترین میزان رشد را در شدت نور 200 میکرومول در مترمربع در ثانیه و دوره نوری D00L:24 گزارش کردند (42). آنان علت این کاهش را به پدیده ممانعت نوری (Photoinhibition) مربوط دانستند، زیرا در شدت نور بالاتر از حد اشباعیت به لحاظ واکنش­های فتواکسیداسیون و آسیب به سیستم گیرنده فتوسنتزی نور جذب نور در سیستم فتوسنتز کننده دچار اختلال می‌شود (5 و 32). در این حالت سلول­ها قادر به ادامه حیات طبیعی خود نیستند و با اینکه در شدت نور بالاتری قرار دارند روند رشد ابتدای فاز نمایی را ندارد و بتدریج در اواخر فاز نمایی محتویات درونی سلول­ها آسیب دیده و به‌سرعت از بین می­روند (35). به همین دلیل در شدت نور بالا نیازی به افزایش ساعات روشنایی نیست. به عبارت دیگر، حداکثر بازدهی فتوسنتزی و حداکثر میزان رشد زمانی حاصل می­شود که دوره نوری و شدت نور، متناسب با انرژی لازم برای انجام واکنش­ها و فعل و انفعالات در واحد فتوسنتزی باشد (32 و 42).

به‌طورکلی در این مطالعه مشخص شد که S. quadricaudaرشد و تولید بهتری را در دوره نوری D8L:16 و درجه حرارت 30 درجه سانتی­گراد دارد که این عامل با کاهش ظاهری اندازه سلول جلبکی همراه بود. در چنین شرایطی به لحاظ دوره نوری و درجه حرارت، کمترین زمان دو برابر شدن و بیشترین تراکم حاصل گردید که می‌توان این استنباط را کرد که با افزایش رشد و افزایش تقسیم سلولی، اندازه سلول های جلبکی نیز کوچکتر می‌شود و تولید جلبکی به لحاظ تعداد بیشتر خواهد شد.

نتیجه‌گیری

در این تحقیق دوره­های نوری مختلف و درجه حرارت­های متفاوت تأثیر معنی داری بر تراکم، میزان رشد ویژه، زمان دو برابر شدن و میزان زیست توده در ریزجلبک S. quadricaudaداشت و افزایش ساعات روشنایی و درجه حرارت سبب افزایش در جمعیت شد. از سوی دیگر، در کشت­های تیمار شده با دوره نوری D16L:8 در تمام درجه حرارت­ها، جمعیت کمترین میزان رشد را نشان داد.

سپاسگزاری 

بدین‌وسیله از معاون محترم پژوهشی دانشکده منابع طبیعی و معاون پژوهشی و تحصیلات تکمیلی دانشگاه صنعتی اصفهان که زمینه انجام این تحقیق را فراهم کردند، نهایت سپاسگزاری را داریم.

  1. 1.        سلمانی نژاد، م. 1394. تاثیر محیط کشت و شدت نور بر رشد و کاروتنوئیدهای جلبکDunaliella salina دریاچه ارومیه. مجله پژوهش های گیاهی (زیست شناسی ایران) شماره 28. ص 771-783. 
  2. حیدری، ص.، فرهادیان، ا. و محبوبی صوفیانی، ن. 1388. تولید زیست توده و حذف آمونیاک و نیتریت از پساب کارگاه پرورش ماهی بوسیله کشت جلبک سبز سندسموس کوادریکودا. مجله محیط شناسی شماره 59. ص 15-28.
  3. خانجانی، م.، ح.، فرهادیان، ا.، کیوانی، ی. و ابراهیمی، ع. 1388. تأثیر جیره­های غذایی مختلف  بر تولید و میزان رشد ویژه جمعیت آنتن منشعب آب شیرین Ceriodaphnia quadrangular (O. F. Müller, 1785). مجله علمی شیلات ایران. صفحه 29-40.
  4. فرهادیان، ا.، پیرعلی زفره ای، ا.، و مولایی، ح. 1395. تاثیر ترکیبی علف کش متری بوزین و سختی آب بر برخی خصوصیات جمعیت جلبک  سبز
     Scenedesmus quadricauda. مجله پژوهش های گیاهی (زیست شناسی ایران) شماره 29. ص 107-117.

 

5. Ak, I., Cirik S., and Guksan T. 2008. Effect of light intensity, salinity and temperature on growth in camalti strain of Dunaliella viridis Teodoresco from Turkey. Journal of Biological Sciences. 8: 1356-1359.

6. Amini Khoeyi, Z., Seyfabadi, J., and Ramezanpour, Z. 2012. Effect of light intensity and photoperiod on biomass and fatty acids composition of microalgae, Chlorella vulgaris. Aquaculture International. 20: 41-49.

7. Andersen, R. A. 2005. Algal culturing techniques. Elsevier Academic Press, New York, 578 pp.

8. Bellinger, E. D., Sigee, D. 2010. “Freshwater Algae: Identification and use as bioindicators.John Wieley and Sons, Ltd., UK, 271 pp.

9. Boussiba, S. 2000. Carotenogenesis in the green alga Haeamatococcus pluvialis: cellular physiology and stress response. Plant Physiology. 108: 111-117.

10. Bouterfas, R., Belkoura, M., and Dauta, A. 2006. The effects of irradiance and photoperiod on the growth rate of three freshwater green algae isolated from a eutrophic lake. Limnetica. 25: 647-656.

11. Carvalho, A. P., and Malcata, F. X. 2003. Kinetic modeling of the autotrophic growth of Pavlova lutheri: Study of the combined influence of light and temperature. Biotechnology Progress. 19: 1128–1135.

12. Cheng-Wu, Z., Zmora, O., Kopel, R., and Richmond, A. 2001. An industrial – size flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Aquaculture. 195: 35 - 49.

13. Cucchiari, E., Guerrini, F., Penna, A., Totti, C., and Pistocchi, R. 2008. Effect of salinity, temperature, organic and inorganic' nutrients on growth of cultured Fibrocapsa japonica (Raphidophyceae) from the northern Adriatic Sea. Harmful Algae. 7: 405-414.

14. Danesi, E. D. G., Rangel-Yagui, C. O., Carvalho, J. C. M., and Sato, S. 2004. Effect of reducing the light intensity on the growth and production of chlorophyll by Spirulina platensis. Biomass and Bioenergy. 26: 29-335.

15. Durmaz , Y. 2007. Vitamin E (α-tocopherol) production by the marine microalgae Nannochloropsis oculata (Eustigmatophyceae) in nitrogen limitation. Aquaculture. 272: 717-722.

16. Etheridge, S. M., and Roesler, C.,S. 2005. Effects of temperature, irradiance, and salinity on photosynthesis, growth rates, total toxicity, and toxin composition for Alexandrium fundyense isolates from the Gulf of Maine and Bay of Fundy. Deep-Sea Research. 52: 2491-2500.

17. Fabregas, J., Maseda, A., Domanguez, A., Ferreira, M., and Otero, A. 2002. Changes in the cell composition of the marine microalga, Nannochloropsis gaditana, during a light:dark cycle. Biotechnology. Letters. 24: 2491-2500.

18. Girard, V. 2009. Evidence of Scenedesmaceae (Chlorophyta) from 100 million-year-old amber. Journal Citation Reports. 31: 145-151.

19. Goldman, J. C. 1979. Temperature effects on steady-state growth, phosphorus uptake, and the chemical composition of a marine phytoplankter. Microbial Ecology. 5: 153–166.

20. Harrison, P. J., Thompson, P. A., and Calderwood, G. S. 1990. Effects of nutrient and light limitation on the biochemical composition of phytoplankton. Journal of Applied Phycology.2: 45-56.

21. Ikedo, T., and Omori, M. 1984. Methods in marine zooplankton ecology.John Wiley and Sons Inc, New York, 332 pp.

22. Isik, O., Hizaric, L., Sayin, S., Gokpinar, S., and Durmaz, Y. 2006. The effect of the environmental factors on the vitamin C (ascorbic acid), E (alpha-tocopherol), carotene contents and the fatty acid composition of Spirulina platensis. Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 23: 257-261.

23. Juneja, A., Ceballos, R. S., and Murthy, G. 2013. Effects of Environmental Factors and Nutrient Availability on the Biochemical Composition of Algae for Biofuels Production: A Review. Energies. 6: 4607-4638.

24. Kitaya, Y., Xiao, L., Masuda, A., Ozawa, T., Tsuda, M., and Omasa, K. 2008. Effects of temperature, photosynthetic photon flux density, photoperiod and O2 and CO2 concentrations on growth rates of the symbiotic dinoflagellate, Amphidiniumsp. Journal of Applied. Phycology. 20: 737-742.

25. Lavens, P., and Sorgeloos, P. 1996. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Fisheries Technical Paper. 295 pp.

26. Liu, W., Au, D. W. T., Anderson, D. M., Lam, P. K. S., and Wu, R. S. S. 2007. Effects of nutrients, salinity, pH and light:dark cycle on the production of reactive oxygen species in the alga Chattonella marina. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 346: 76-86.

27. Ma, X., Chen, K. W., and Lee, Y. K. 1997 . Growth of Chlorella outdoors in a changing light environment. Journal of Applied Phycology. 9: 425-430.

28. Meseck S.L., Alix J.H., Gary H., and Wikfors G.H. 2005. Photoperiod and light intensity effects on growth and utilization of nutrients by the aquaculture feed microalga, Tetraselmis chui . Aquaculture. 246: 393-404. [99]

29. Nichols, H. W. 1973. Growth media – freshwater. In: Stein, J. R. [Editor], Handbook of phycological methods– culture methods and growth measurements, Cambridge University Press, pp. 7-24.

30. Olivera, M. A. C. L., Monteiro, M. P. C., Robbs, P. G., and Leite, S. G. F. 1999. Growth and chemical composition of Spirulina maxima and Spirulina platensis biomass at different temperatures. Aquaculture International. 7: 261-275.

31. Priyadarshani, I., and Rath, B. 2012. Commercial and industrial applications of micro algae- A review. Journal of Algal Biomass Utilization. 3: 89-100.

32. Pulz, O. 2001. Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms. Journal of Microbiology and Biotechnology. 57: 287-293.

33. Renaud, S. M., Parry, D. L., Thinh, L. V., Kuo, C., Padovan, A., and Sammy, N. 1991. Effect of light intensity on the proximate biochemical and fatty acid composition of Isochrysis sp. and Nannochloropsis oculata for use in tropical aquaculture. Journal of Applied Phycology. 3: 43-53.

34. Richmond, A. 1986. Cell response to environmental factors, In: Hand-book of Microalgal Mass Culture (Richmond A, ed), CRC Press, Boca Raton. pp. 69-99.

35. Richmond, A. (Ed). 2004. Handbook of Microalgal culture: Biotechnology and Applied Phycology. Blackwell Publishing Company, Cornwall, U. K., 566 pp.

36. Salvucci, M. E., and Crafts-Brandner, S. J. 2004. Relationship between the heat tolerance of photosynthesis and the thermal stability of Rubisco activase in Plants from contrasting thermal environments 1. American Society of Plant Biologists. 134: 1460-1470.

37. Sanchez-Saavedra, M. P., and Voltolina, D. 2002. Effect of photon fluence rates of white and bluegreen light on growth efficiency and pigment content of three diatom species in batch cultures. Ciencias Marinas. 28: 273-279.

38. SPPS, 2002. Statistical package for social science, version 11.5, SPSS Inc., Michigan Avenue, Chicago, Illinois, USA.

39. Thompson, P.A., and Guo, M. 1992. Effects of variation in temperature. On the biochemical composition of eight species of marine phytoplankton. Journal of Phycology. 28: 481–488.

40. Tzovenis, I., Pauw, N. D., and Sorgeloos, P. 1997. Effect of different light regimes on the docosahexaenoic acid (DHA) content of Isochrysis aff. galbana (clone T-ISO). Aquaculture International. 5: 489- 507.

41. Ugwu, C. U., Aoyagi, H., and Uchiyama, H. 2007. Influence of irradiance, dissolved oxygen concentration, and temperature on the growth of Chlorella sorokiniana. Photosynthetica. 45: 309-311.

42. Wahidin, S., Idris, A., and Muhamad Shaleh, S.R. 2013. The influence of light intensity and photoperiod on the growth and lipid content of microalgae Nannochloropsis sp.. Bioresource Technology. 129: 7-11.

43. Zachleder, V., Wittenburg, E., and Abarzua, S. 1986 Factors controlling the inhibitory effects of 3, 4-benzo (a) pyrene on the chlorococcal alga Scenedesmus quadricauda.Algological Studies/Archiv fur Hydrobiologie. 43: 281-296.

44. Zar, J. H. 1984. Bioststistical analysis, 2nd edition. Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New York, USA. P. 718.

Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology)
Volume 31, Issue 1
April 2018
Pages 145-155
  • Receive Date: 30 September 2015
  • Revise Date: 20 July 2016
  • Accept Date: 06 March 2017