本发明属于水生能源植物培养领域，特别涉及一种通过优化光谱组成提高浮萍淀粉产量的方法。
背景技术：
浮萍是世界上最小的开花植物，通常漂浮在水面上进行生长。整个浮萍科植物包括5个属37个种，适应性强，分布较广。近年来，浮萍作为一种新型能源植物，受到了人们的极大关注。在最理想的培养条件下，浮萍可以在16～48小时内实现生物量翻倍。而在特定培养条件下，浮萍可以进行淀粉的快速积累，淀粉含量最高可达45％。
目前，诱导浮萍淀粉积累的方法有：寡营养处理、激素处理、在高co2浓度条件下培养以及采用高光照强度培养。这些方法对淀粉积累都有促进作用，但存在以下局限性：(1)寡营养处理对水质要求很高，适用性不强；(2)激素处理的操作较为复杂，在中试条件下可能会造成环境污染，同时也会增加成本，经济性不好；(3)在高co2浓度条件下培养首先需要搭建一个相对密闭的培养环境，为了保持co2浓度，还需要注意补充co2，操作较为复杂，生产成本较高；(4)采用高光照强度培养会增加光能投入，耗电量过高，经济性也不好。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过优化光谱组成提高浮萍淀粉产量的方法，以在增加浮萍淀粉产量的同时降低生产成本。
本发明提供的通过优化光谱组成提高浮萍淀粉产量的方法，是将浮萍接种于水体中，在红光、蓝光或者红-蓝-绿混合光的照射条件下培养5～14天，收获浮萍。
上述方法中，按照红光、蓝光或者红-蓝-绿混合光的光量子通量密度(ppfd)为80～200μmol/m2/s的光照条件培养浮萍。
上述方法中，红光的峰值波长为660nm，蓝光的峰值波长为450nm，绿光的峰值波长为520nm，红光、蓝光及绿光的半高峰宽越窄，本发明所述方法对浮萍淀粉产量的提高效果越好，优选地，红光的半高峰宽不超过15nm，蓝光的半高峰宽不超过20nm，绿光的半高峰宽不超过15nm。
上述方法中，采用红-蓝-绿混合光的照射时，红-蓝-绿混合光中的红光、蓝光与绿光的光量子通量密度之比为(3.5～4.5):(1.5～2.5):(0.5～1.5)
上述方法中，优选在红光或者红-蓝-绿混合光的照射条件下培浮萍，更优选地方案是在红-蓝-绿混合光的照射条件下培浮萍。
上述方法中，采用红光led灯提供红光，采用蓝光led灯提供蓝光，将红光led灯、蓝光led灯与绿光led灯组合提供红-蓝-绿混合光。
上述方法中，为了最大限度地提高浮萍淀粉产量，最好是按照80％～100％的覆盖率将浮萍种在水体中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种通过优化光谱组成提高浮萍淀粉产量的方法，该方法通过单色红光或蓝光led灯或者是红-蓝-绿混合光led灯作为光源同时促进浮萍生长和淀粉积累，可以有效提高浮萍淀粉产量，同时由于优化了光质，去掉不必要的光谱组成，可减少浮萍培养过程中光能的消耗，节省电力资源。与现有增加浮萍淀粉产量的方法相比，本发明的方法能在节约成本的同时提高生产效率、有效增加浮萍淀粉产量。
2.本发明所述方法在寡营养和富营养条件下培养少根紫萍和绿萍，都能提高它们的淀粉含量和干物质累积速度，有效提高的淀粉产量，在富营养条件下培养浮萍还能促进水体中n的去除。说明本发明的方法能有效提高浮萍的淀粉产量而不受水体营养情况的限制，具有普遍适用性。
3.与采用白光led灯作为光源相比，本发明所述方法在提高浮萍淀粉产量的同时可有效降低电能消耗，特别是采用红-蓝-绿混合光led灯和红光led灯作为光源时，具有更明显的节能优势。试验表明，在光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件下培养浮萍，与采用白光led灯作为光源相比，本发明所述方法采用红-蓝-绿混合光led灯和红光led灯作为光源分别可减少17.25％和19.66％的电能消耗；同样在光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件下，在富营养条件时，以白光led灯作为光源生产淀粉的电量消耗为0.81瓦/g淀粉，而采用本发明所述方法以蓝光led灯、红光led灯和红-蓝-绿混合光led灯作为光源生产淀粉的电量消耗则分别为0.18瓦/g淀粉、0.13瓦/g淀粉和0.09瓦/g淀粉，具有更高的从电能到有效生物质的转化效率。
附图说明
图1是对比例1和实施例1～3中浮萍的干物质积累速度对比图。
图2是对比例1和实施例1～3中浮萍的淀粉含量对比图。
图3是对比例1和实施例1～3中浮萍的淀粉积累速度对比图。
图4是对比例1和实施例1～3中光源辐照度及能量转化效率对比图。
图5是对比例1和实施例1～3中对水体中总氮和总磷去除率对比图。
图6是对比例2和实施例4～6中浮萍的干物质积累速度对比图。
图7是对比例2和实施例4～6中浮萍的淀粉含量对比图。
图8是对比例2和实施例4～6中浮萍的淀粉积累速度对比图。
图9是对比例3和实施例7～9中浮萍的干物质积累速度对比图。
图10是对比例3和实施例7～9中浮萍的淀粉含量对比图。
图11是对比例3和实施例7～9中浮萍的淀粉积累速度对比图。
具体实施方式
下面通过实施例及对比例对本发明所述通过优化光谱组成提高浮萍淀粉产量的方法作进一步说明。
下述各实施例及对比例中，浮萍淀粉含量的测定方法可参见zhangl.,chenq.,jiny.,etal.energy-savingdirectethanolproductionfromviscosityreductionmashofsweetpotatoatveryhighgravity(vhg).fuelprocessingtechnology.2010,91(12):1845-1850。具体测定方法为：分别将干燥的浮萍粉碎成粉末，称取0.03～0.06g浮萍干粉置于250ml磨口锥形瓶中，加入30ml6mol/l的hcl溶液和100ml蒸馏水，装上冷凝管，置沸水浴中回流2h。回流完毕，立即用流动水冷却，待浮萍样品水解液冷却至室温后，加入naoh调节水解液的ph值为7。然后加入20ml20wt％醋酸铅溶液，摇匀后放置10min，转移至500ml容量瓶中，加蒸馏水定容至500ml，过滤，弃去初滤液，收集5ml滤液过预活化好的反相c18固相萃取小柱，弃去最初的1～2ml，收集后面的3～4ml，再用0.22μm的水系滤膜过滤。利用hplc测定滤液中葡萄糖含量，根据淀粉含量＝葡萄糖含量/1.1，计算浮萍淀粉含量。
浮萍淀粉积累速度按下式计算：
g淀粉＝(ct*wt-c0*w0)/100/s/t(g/m2/d)
gs＝g淀粉*365*10000/1000/1000(t/hac/y)
上式中，ct为t天浮萍淀粉含量(％)，c0为浮萍初始淀粉含量(％)，wt为t天收获浮萍干重(g)，w0为初始淀粉干重(g)，s为接种面积(m2)，t为培养时间(d)。
培养浮萍的水体中的总氮和总磷浓度通过多功能水质分析仪photolab6100(wtw，德国)测定，所用试剂为默克公司(merckcorp，德国)的配套试剂，按照配套试剂的说明书进行操作。
下述各实施例中，各种溶液的配制方法如下：
hoagland培养液的配制方法如下：(1)用蒸馏水按照下表所述的母液配方中各试剂的浓度配制a、b、c、d、e、f六种母液，其中，配制母液a时，先用6n的hcl溶液将ca(no3)2·4h2o、kno3、kh2po4溶解，然后加入蒸馏水配制成目标浓度；配制母液d时，先用6n的koh溶液将edta溶解，然后加入蒸馏水配制成目标浓度。(2)按照下表所述的每升hoagland培养液中各种母液的添加量用蒸馏水配制hoagland培养液，通过hcl及naoh调整hoagland培养液的ph值为5.0。所配制的hoagland培养液中，n元素的浓度为349.73mg/l，p元素的浓度为154.89mg/l。
1/5浓度hoagland培养液的配制方法：将一定量的hoagland培养液与4倍于其体积的蒸馏水混合均匀即得。
下述实施例和对比例中采用的少根紫萍xj3采集自中国四川省成都市新津县乌龙村。
下述各对比例中采用的光源为普通白光led灯，其光质组成为：蓝光/绿光/红光(b/g/r)＝37/45/28，该比例为蓝光、绿光与红光的光量子通量密度之比。下述各实施例中，分别采用红光led灯、蓝光led灯提供红光和蓝光，将红光led灯、蓝光led灯与绿光led灯组合成红-蓝-绿混合光led灯提供红-蓝-绿混合光。所述红光的峰值波长为660nm、半高峰宽为15nm，蓝光的峰值波长为450nm、半高峰宽为20nm，绿光的峰值波长为520nm、半高峰宽为15nm。提供红-蓝-绿混合光时，根据实施例的应用需求，将红光led灯、蓝光led灯与绿光led灯组合形成红光、蓝光与绿光的光量子通量密度比为红光/蓝光/绿光(r/b/g)＝4/2/1的红-蓝-绿混合光led灯。
下述各对比例和实施例中，按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养浮萍，其中的光量子通量密度均是指对应的光源在接种了浮萍的水体表面的光密度。
对比例1：普通白光led灯+富营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用普通白光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3，同时采集培养少根紫萍xj3的水样10ml在4℃保存待测水质。
将收获的少根紫萍xj3用蒸馏水冲洗三遍后，置于滤袋中经甩干机脱去自由水，于烘箱中在60℃过夜烘干至恒重，并称重记录，计算少根紫萍xj3干物质积累速度。将干燥后的样品磨成粉状并称适量经酸解后用hplc法测葡萄糖含量，计算淀粉含量。结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为4.21g/m2/d，淀粉含量为3.65％，淀粉积累速度为0.77t/hac/y(吨/公顷/年)。水质测定结果表明少根紫萍xj3生长5天，对培养液中的总氮和总磷的去除率分别为42.34％和24.09％。
实施例1：蓝光led灯+富营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用蓝光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3，同时采集培养少根紫萍xj3的水样10ml在4℃保存待测水质。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为5.00g/m2/d，淀粉含量为13.9％，淀粉积累速度为4.02t/hac/y。水质测定结果表明少根紫萍xj3生长5天，对培养液中的总氮和总磷的去除率分别为39.12％和25.72％。
实施例2：红光led灯+富营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用红光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3，同时采集培养少根紫萍xj3的水样10ml在4℃保存待测水质。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为7.11g/m2/d，淀粉含量为10.5％，淀粉积累速度为3.78t/hac/y。水质测定结果表明少根紫萍xj3生长5天，对培养液中的总氮和总磷的去除率分别为45.41％和25.54％。
实施例3：r/b/g:4/2/1混合光led灯+富营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用红光、蓝光与绿光的光量子通量密度比为4:2:1的红-蓝-绿混合光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3，同时采集培养少根紫萍xj3的水样10ml在4℃保存待测水质。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为7.89g/m2/d，淀粉含量为14.8％，淀粉积累速度为5.86t/hac/y。水质测定结果表明少根紫萍xj3生长5天，对培养液中的总氮和总磷的去除率分别为54.08％和25.72％。
由图1～3可知，在富营养条件下采用蓝光、红光以及红-蓝-绿混合光照射培养5天，少根紫萍xj3平均干物质积累速度达到了5.0～7.89g/m2/d，淀粉含量为10.5％～13.94％，而采用白光照射培养5天，少根紫萍xj3平均干物质积累速度为4.21g/m2/d，淀粉含量仅为3.65％，淀粉产量由0.77t/hac/y增加至了5.86t/hac/y。说明本发明所述方法能同时提高浮萍的干物质积累速度和淀粉含量，有效提高浮萍的淀粉产量。
由图4可知，在相同光量子通量密度的条件下，本发明采用的红光以及红-蓝-绿混合光的辐照度低于普通白光，同时，本发明采用红光和红-蓝-绿混合光照射在富营养条件下培养少根紫萍xj3的能量转化效率明显高于采用普通白光照射在富营养条件下培养时的能量转化效率。以白光led灯作为光源生产淀粉的电量消耗为0.81瓦/g淀粉，而以蓝光led灯、红光led灯和红-蓝-绿混合光led灯作为光源生产淀粉的电量消耗则分别为0.18瓦/g淀粉、0.13瓦/g淀粉和0.09瓦/g淀粉，具有明显更高的从电能到有效生物质的转化效率。
由图5可知，与采用普通白光照射相比，本发明采用红光和红-蓝-绿混合光照射在富营养条件下培养少根紫萍xj3时，在对水体中总磷去除率基本不变的情况下，对水体中总氮去除率有了明显提升，本发明所述方法在增加浮萍淀粉产量的同时可净化水体。
对比例2：普通白光led灯+寡营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml自来水中，采用普通白光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本对比例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为5.42g/m2/d，淀粉含量为31.52％，淀粉积累速度为8.94t/hac/y。
实施例4：蓝光led灯+寡营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml自来水中，采用蓝光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为6.99g/m2/d，淀粉含量为47.23％，淀粉积累速度为16.39t/hac/y。
实施例5：红光led灯+寡营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml自来水中，采用红光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为7.26g/m2/d，淀粉含量为53.28％，淀粉积累速度为19.20t/hac/y。
实施例6：r/b/g:4/2/1混合光led灯+寡营养条件培养
将少根紫萍xj3按100％覆盖度接种于250ml自来水中，采用红光、蓝光与绿光的光量子通量密度比为4:2:1的红-蓝-绿混合光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获少根紫萍xj3。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍xj3的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，少根紫萍xj35天平均干物质积累速度为8.40g/m2/d，淀粉含量为61.34％，淀粉积累速度为24.79t/hac/y。
由图6～8可知，在寡营养条件下采用蓝光、红光以及红-蓝-绿混合光照射培养5天，少根紫萍xj3平均干物质积累速度达到了6.99～8.4g/m2/d，淀粉含量为47.23％～61.34％，而采用白光照射培养5天，少根紫萍xj3平均干物质积累速度为5.42g/m2/d，淀粉含量仅为31.52％，淀粉产量由8.94t/hac/y增加至了24.7t/hac/y。说明本发明所述方法能同时提高浮萍的干物质积累速度和淀粉含量，有效提高浮萍的淀粉产量。
对比例3：普通白光led灯+富营养条件培养
将绿萍按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用普通白光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获绿萍。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获绿萍的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，绿萍5天平均干物质积累速度为5.00g/m2/d，绿萍淀粉含量为4.18％，绿萍淀粉积累速度为0.92t/hac/y。
实施例7：蓝光led灯+富营养条件培养
将绿萍按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用蓝光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获绿萍。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获绿萍的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，绿萍5天平均干物质积累速度为7.81g/m2/d，绿萍淀粉含量为17.72％，绿萍淀粉积累速度为7.08t/hac/y。
实施例8：红光led灯+富营养条件培养
将绿萍按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用普通红光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获绿萍。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获绿萍的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，绿萍5天平均干物质积累速度为8.51g/m2/d，绿萍淀粉含量为22.46％，绿萍淀粉积累速度为9.53t/hac/y。
实施例9：r/b/g:4/2/1混合光led灯+富营养条件培养
将绿萍按100％覆盖度接种于250ml的1/5hoagland营养液中，1/5hoagland营养液中的总氮浓度为70mg/l，总磷浓度为30mg/l，采用红光、蓝光与绿光的光量子通量密度比为4:2:1的红-蓝-绿混合光led灯作为光源，在25℃按照光量子通量密度为110μmol/m2/s的光照条件全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度，培养5天，收获绿萍。
采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获绿萍的干物质积累速度以及淀粉含量，结果显示，绿萍5天平均干物质积累速度为9.39g/m2/d，绿萍淀粉含量为21.94％，绿萍淀粉积累速度为10.14t/hac/y。
由图9～11可知，在富营养条件下采用蓝光、红光以及红-蓝-绿混合光照射培养5天，绿萍平均干物质积累速度达到了7.81～9.39g/m2/d，淀粉含量为17.72％～22.46％，而采用白光照射培养5天，绿萍平均干物质积累速度为5.00g/m2/d，绿萍淀粉含量仅为4.18％，绿萍淀粉产量由0.92t/hac/y增加至了10.14t/hac/y，说明本发明所述方法不局限于少根紫萍，也能有效提高绿萍的淀粉产量。