植物學專題講座：藍藻研究現(xiàn)狀和進展概述藍藻是地球上最早出現(xiàn)的綠色自養(yǎng)生物，它是在地球上幾乎還是絕對無氧的還原環(huán)境下，第一個利用太陽能將二氧化碳制造成有機物并釋放出游離氧氣的先驅(qū)生物，它對地球上的其他自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物的產(chǎn)生和演化，乃至人類的起源有著無可替代的重大意義。藍藻的固氮能力在地球生態(tài)系統(tǒng)的N素循環(huán)中也具有十分重要的作用。此外藍藻還在環(huán)境保護、資源開發(fā)等人類生產(chǎn)生活的許多領域中扮演著重要角色。因此藍藻的研究一直是植物學研究中令人十分關注的重要方面。分類和分布

藍藻門植物為地球上最原始、最古老的一植物類群。約有150屬，1500種，分布很廣，從兩極到赤道，從高山到海洋，到處都有它們的蹤跡。根據(jù)其植物體的形態(tài)不同而分為三個綱：1、色球藻綱：包括所有單細胞體和單細胞群體種類。2、藻殖段綱：包括所有不分枝或假分枝絲狀體種類及絲狀群體種類。3、真枝藻綱：包括所有具真分枝的絲狀體種類。返回藍藻的形體藍藻門中的一種真枝藻Stigonema細胞結(jié)構：分為細胞壁和原生質(zhì)體,原生質(zhì)體又分為周質(zhì)(periplasm)和中心質(zhì)(centroplasm)圖示細胞壁

成分為肽葡聚糖peptidoglycan(又稱粘多糖、胞壁質(zhì))胞壁外常有膠質(zhì)鞘

中心質(zhì)

(原核)藍藻(或細菌)細胞的中央?yún)^(qū)域,無核膜和核仁，但含有DNA分子，具有核的功能，故稱原核周質(zhì)(細胞質(zhì))

存在光合片層系統(tǒng)、核糖體、偽空泡;缺乏其他各種具膜結(jié)構的細胞器

光合色素

葉綠素a、

類胡蘿卜素(包括?-胡蘿卜素、藍藻黃素、顫藻黃素)、藻膽素(包括藻藍素、藻紅素和別藻藍素)。

儲存養(yǎng)分

藍藻淀粉、藍藻顆粒體、脂質(zhì)顆粒

鞭毛結(jié)構

無

幾種藍藻的顯微放大圖片返回微囊藻Microcystis(圖示)返回螺旋藻Spirulina返回顫藻Oscillatoria返回念珠藻Nostoc魚腥藻Anabaena返回一、固氮藍藻的研究和利用1、固氮藍藻的種類：地球上能固氮的生物種類很多，它們?nèi)紝儆谠松铩Ｔ谄胀ǖ呐囵B(yǎng)條件下，能固氮的藍藻均具有異形胞。因此一般認為在自然條件中的固氮藍藻都有異形胞。據(jù)鑒定統(tǒng)計，自然界中的這些固氮藍藻主要是Anabaena、Nostoc、Calothrix、Tolypothrix、Scytonema、Stigonema等屬中的種類，它們都是具異形胞的絲狀藍藻。近年來的研究表明：在嚴格控制的特殊環(huán)境下，有約40%的無異形胞的種類也有固N活性。目前己知的固氮藍藻至少有33屬150種。2、異形胞是部分絲狀藍藻所具有的—種特殊細胞，由普通營養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化而來。與普通細胞形態(tài)不同之處是細胞壁厚，兩端有結(jié)節(jié)(極區(qū))，類囊體膜解體，細胞顏色淺而透明。其主要功能是固氮和形成藻殖段進行繁殖。返回異形胞的誘導形成及其內(nèi)部結(jié)構在含N培養(yǎng)基上生長的固氮絲狀藍藻，一旦可利用N素即將消耗殆盡，就可以誘發(fā)異形胞的產(chǎn)生。實驗表明，當碳/氮比到6：1時，就可以看絲體中有規(guī)律地(按一定間隔同步地)出現(xiàn)前異形胞，當碳/氮比到8：1時，就可在幾小時內(nèi)發(fā)育形成可測出固氮活性的異形胞。

異形胞的結(jié)構和營養(yǎng)細胞相比異形胞體積稍大，細胞壁外另有具防氧保護作用的由纖維素層、勻質(zhì)層和薄片層組成的包被。兩端加厚成極區(qū)，細胞內(nèi)色素及光系統(tǒng)Ⅱ解體、光系統(tǒng)Ⅰ則仍然保留，另外在異形胞內(nèi)出現(xiàn)了大量固氮酶并形成了一套高效的同化NH3的機制,以防止NH3的積累。3、固氮酶及其特性藍藻中的固氮酶(N2ase)由兩組蛋白組成-----Mo-Fe蛋白和Fe蛋白。在無O2的環(huán)境下，其催化的反應如下式：

N2+8H++8e-+16ATP2NH3+H2+16ADP+16Pi以上反應顯然是高耗能的還原反應，(每還原一個氮分子可產(chǎn)生2個NH3，需8個電子和16個ATP)。影響固氮酶活性的因素主要有：O2---溫度---某些金屬離子---Mg、V環(huán)境中NH3的濃度---固氮酶的防氧保護：結(jié)構特化細胞除氧系統(tǒng)呼吸保護吸氫保護節(jié)律性分隔4、固氮藍藻的應用：生物肥料飼料清潔能源二、藍藻水華及毒素研究1、某些藻類在環(huán)境適宜時能快速生長繁殖并在水體表層大量聚集，這種藻類聚集物就叫做水華。發(fā)生在淡水水體中的水華大多由藍藻造成，主要種類有微囊藻、魚腥藻、束絲藻……等。2、藍藻水華的發(fā)生機理2.1影響水華發(fā)生的物化條件靜水與流水…光照…水溫…PH…N/P…鹽度…微量元素…2.2水華藍藻的生理生態(tài)策略固N機制沉浮調(diào)節(jié)機制無機碳濃縮利用機制種源越冬及復蘇機制3、藍藻水華的危害性水質(zhì)惡化、水體缺氧、產(chǎn)生毒素傷害人畜。4藍藻毒素的種類及危害藍藻水華的防治藍藻水華防治是一個世界性的難題，它涉及社會、經(jīng)濟、生活習慣等多個領域，從目前的資料來看應注意以下幾點：水質(zhì)富營養(yǎng)化控制特別是P的控制湖岸帶生態(tài)控制生物控制機械清除技術三、藍藻分子生物學研究藍藻分子生物學是當今生命科學的前沿研究領域，其標志性成就有集胞藻6803基因組DNA全序列分析的完成和多種外源性基因轉(zhuǎn)入藍藻并成功表達。這些轉(zhuǎn)基因藍藻在環(huán)境治理和生物制藥方面顯現(xiàn)了重大的應用前景。這些成果中有：1、蚊幼毒蛋白基因轉(zhuǎn)入聚球藻Anacistis可望用于滅蚊2、解氯基因轉(zhuǎn)入魚腥藻擬用于清除水體中的殺蟲劑3、超氧化物岐化酶基因轉(zhuǎn)入聚球藻用于制備重組藥物4、人腫瘤壞死因子基因轉(zhuǎn)入魚腥藻擬用于制備重組藥物5、人表皮生長因子基因轉(zhuǎn)入聚球藻用藍藻作為轉(zhuǎn)基因材料的優(yōu)點原核生物結(jié)構簡單，易于分子遺傳操作。生長迅速易培養(yǎng)易于分離收集。光合自養(yǎng)，適應性強可在自然環(huán)境下生長?？刹缓瑑?nèi)毒素，對產(chǎn)品不必嚴格純化。本身含豐富營養(yǎng)成分可直接利用。目前專利尚少四、經(jīng)濟藍藻-----螺旋藻的規(guī)模化培養(yǎng)1、發(fā)現(xiàn)歷史….2、培養(yǎng)藻種：鈍頂螺旋藻Spirulinaplatensis極大螺旋藻S.maxima3、生態(tài)習性：適溫28-35oCPh8.5-10.54、營養(yǎng)成份見表5、培養(yǎng)液配方6、培養(yǎng)方法NaCl1.0gK2SO41.0gKNO33.0gH3PO4