藍(lán)藻Cyanobacteria
藍(lán)藻又名藍(lán)綠藻(blue—green algae),是一類進(jìn)化歷史悠久、革蘭氏染色陰性、無(wú)鞭毛、含葉綠素a,但不含葉綠體(區(qū)別于真核生物的藻類)、能進(jìn)行產(chǎn)氧性光合作用的大型單細(xì)胞原核生物。 與光合細(xì)菌區(qū)別是:光合細(xì)菌(紅螺菌)進(jìn)行較原始的光合磷酸化作用,反應(yīng)過(guò)程不放氧,為厭氧生物,而藍(lán)細(xì)菌能進(jìn)行光合作用并且放氧。它的發(fā)展使整個(gè)地球大氣從無(wú)氧狀態(tài)發(fā)展到有氧狀態(tài),從而孕育了一切好氧生...
藍(lán)藻的介紹
藍(lán)藻又名藍(lán)綠藻(blue—green algae),是一類進(jìn)化歷史悠久、革蘭氏染色陰性、無(wú)鞭毛、含葉綠素a,但不含葉綠體(區(qū)別于真核生物的藻類)、能進(jìn)行產(chǎn)氧性光合作用的大型單細(xì)胞原核生物。
與光合細(xì)菌區(qū)別是:光合細(xì)菌(紅螺菌)進(jìn)行較原始的光合磷酸化作用,反應(yīng)過(guò)程不放氧,為厭氧生物,而藍(lán)細(xì)菌能進(jìn)行光合作用并且放氧。它的發(fā)展使整個(gè)地球大氣從無(wú)氧狀態(tài)發(fā)展到有氧狀態(tài),從而孕育了一切好氧生物的進(jìn)化和發(fā)展。至今已有120多種藍(lán)細(xì)菌具有固氮能力,特別是與滿江紅魚(yú)腥藍(lán)細(xì)菌(Anabaena azollae)共生的水生蕨類滿江紅,是一種良好的綠肥。但是,有的藍(lán)細(xì)菌在受氮、磷等元素污染后引起富營(yíng)養(yǎng)化的海水“赤潮”和湖泊的“水華”,給漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重危害。
此外,還有少數(shù)水生種類如微囊藍(lán)細(xì)菌屬(Microcystis)會(huì)產(chǎn)生可誘發(fā)人類肝癌的毒素。 藍(lán)細(xì)菌廣泛分布于自然界,包括各種水體、土壤中和部分生物體內(nèi)外,甚至在巖石表面和其他惡劣環(huán)境(高溫、低溫、鹽湖、荒漠和冰原等)中都可找到它們的蹤跡,有“先鋒生物”之美稱。它們?cè)趲r石風(fēng)化、土壤形成以及水體生態(tài)平衡中起著重要的作用。另外,藍(lán)細(xì)菌具有經(jīng)一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值,包括許多食用種類,如普通木耳念珠藍(lán)細(xì)菌(即葛仙米,俗稱地耳,N.commun)、盤狀螺旋藍(lán)細(xì)菌(Spirulina platensis)、最大螺旋藍(lán)細(xì)菌(Smaxima)等,目前后兩種已開(kāi)發(fā)成有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的“螺旋藻”產(chǎn)品。
藍(lán)藻的形態(tài)特征
- 藍(lán)藻不具葉綠體、線粒體、高爾基體、中心體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和液泡等細(xì)胞器,唯一的細(xì)胞器是核糖體。含葉綠素a,無(wú)葉綠素b,含數(shù)種葉黃素和胡蘿卜素,還含有藻膽素(是藻紅素、藻藍(lán)素和別藻藍(lán)素的總稱)。
其光合作用系統(tǒng)中具有葉綠素a和光系統(tǒng)Ⅱ,以水為電子供體,放出O2,而其他光合細(xì)菌的電子供體一般為H2、H2S和S,不產(chǎn)生氧氣。
一般說(shuō),凡含葉綠素a和藻藍(lán)素量較大的,細(xì)胞大多呈藍(lán)綠色。同樣,也有少數(shù)種類含有較多的藻紅素,藻體多呈紅色,如生于紅海中的一種藍(lán)藻,名叫紅海束毛藻,由于它含的藻紅素量多,藻體呈紅色,而且繁殖的也快,故使海水也呈紅色,紅海便由此而得名。藍(lán)藻雖無(wú)葉綠體,但在電鏡下可見(jiàn)細(xì)胞質(zhì)中有很多光合片層,叫類囊體,各種光合色素均附于其上,是含有色素的膜性結(jié)構(gòu),大大增加了細(xì)胞內(nèi)的膜面積,該結(jié)構(gòu)的主要功能是:進(jìn)行光合作用。
藍(lán)藻的細(xì)胞壁和細(xì)菌的細(xì)胞壁的化學(xué)組成類似,主要成分為肽聚糖(糖和多肽形成的一類化合物);貯藏的光合產(chǎn)物主要為藍(lán)藻淀粉和藍(lán)藻顆粒體等。細(xì)胞壁分內(nèi)外兩層,內(nèi)層是纖維素的,少數(shù)人認(rèn)為是果膠質(zhì)和半纖維素的。外層是膠質(zhì)衣鞘以果膠質(zhì)為主,或有少量纖維素。細(xì)胞質(zhì)部分有很多同心環(huán)樣的膜片層結(jié)果,稱為類囊體,光合色素與電子傳遞鏈均位于此。
藍(lán)藻中央在光鏡下較周圍原生質(zhì)層明亮,為遺傳物質(zhì)DNA所在部位,相當(dāng)于細(xì)菌的核區(qū),稱為中心質(zhì)或中央體?!爸行馁|(zhì)”常不位于中央,與周圍胞質(zhì)無(wú)明確界限。藍(lán)藻DNA幾乎裸露,復(fù)制可連續(xù)進(jìn)行。DNA平均含量比高等動(dòng)物細(xì)胞還多。
藍(lán)藻細(xì)胞分裂時(shí),細(xì)胞中部向內(nèi)生長(zhǎng)出新橫隔壁,將中心質(zhì)與原生質(zhì)分為兩半。一般情況下,兩個(gè)子細(xì)胞在一個(gè)公共的膠質(zhì)鞘包圍下保持在一起,并不斷分裂而形成絲狀、片狀等多細(xì)胞群體。除此之外,藍(lán)藻還可以通過(guò)出芽、斷裂和復(fù)分裂等方式增殖。
內(nèi)壁可繼續(xù)向外分泌膠質(zhì)增加到膠鞘中。有些種類的膠鞘很堅(jiān)密拌可有層理,有些種類膠鞘很易水化,相鄰細(xì)胞的膠鞘可互相溶和。膠鞘中可有棕、紅、灰等非光合作用色素。藍(lán)藻的藻體有單細(xì)胞體的、群體的和絲狀體的。最簡(jiǎn)單的是單細(xì)胞體。有些單細(xì)胞體由于細(xì)胞分裂后子細(xì)胞包埋在膠化的母細(xì)胞壁內(nèi)而成為群體,如若反復(fù)分裂,群體中的細(xì)胞可以很多,較大的群體可以破裂成數(shù)個(gè)較小的群體。有些單細(xì)胞體由于附著生活,有了基部和頂部的極性分化,絲狀體是由于細(xì)胞分裂按同一個(gè)分裂面反復(fù)分裂、子細(xì)胞相接而形成的。有些絲狀體上的細(xì)胞都一樣,有些絲狀體上有異形胞的分化;有的絲狀體有偽枝或真分枝,有的絲狀體的頂部細(xì)胞逐漸尖窄成為毛體,這也叫有極性的分化。絲狀體也可以連成群體,包在公共的膠質(zhì)衣鞘中,這是多細(xì)胞個(gè)體組成的群體。
藍(lán)藻的分布區(qū)域
- 分布十分廣泛,遍及世界各地,但大多數(shù)(約75%)淡水產(chǎn),少數(shù)海產(chǎn);有些藍(lán)藻可生活在60~85℃的溫泉中;有些種類和菌、苔蘚、蕨類和裸子植物共生;有些還可穿入鈣質(zhì)巖石或介殼中(如穿鈣藻類)或土壤深層中(如土壤藍(lán)藻)。
藍(lán)藻的繁殖方式
- 藍(lán)藻的繁殖方式有兩類,一為營(yíng)養(yǎng)繁殖,包括細(xì)胞直接分裂(即裂殖)、群體破裂和絲狀體產(chǎn)生藻殖段等幾種方法,另一種為某些藍(lán)藻可產(chǎn)生內(nèi)生孢子或外生孢子等,以進(jìn)行無(wú)性生殖。孢子無(wú)鞭毛。至2018年尚未發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻有真正的有性生殖。
藍(lán)藻的作用用途
- 藍(lán)藻是最早的光合放氧生物,對(duì)地球表面從無(wú)氧的大氣環(huán)境變?yōu)橛醒醐h(huán)境起了巨大的作用。有不少藍(lán)藻(如魚(yú)腥藻)可以直接固定大氣中的氮(原因:含有固氮酶,可直接進(jìn)行生物固氮),以提高土壤肥力,使作物增產(chǎn)。還有的藍(lán)藻為人們的食品,如著名的發(fā)菜和普通念珠藻(地木耳)、螺旋藻等。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道,美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的化學(xué)家通過(guò)基因工程對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行了改造,使其能生產(chǎn)出丁二醇,這是一種用于制造燃料和塑料的前化學(xué)品,也是生產(chǎn)生物化工原料以替代化石燃料的第一步。相關(guān)論文發(fā)表在2013年1月7日的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。
論文領(lǐng)導(dǎo)作者、加州大學(xué)戴維斯分?;瘜W(xué)副教授渥美翔太(音譯)說(shuō):“大部分化學(xué)原材料都是來(lái)自石油和天然氣,我們需要其他資源?!泵绹?guó)能源部已經(jīng)定下目標(biāo),到2025年要有1/4的工業(yè)化學(xué)品由生物過(guò)程產(chǎn)生。
生物反應(yīng)都會(huì)形成碳—碳鍵,以二氧化碳為原料,利用陽(yáng)光供給能量來(lái)反應(yīng),這就是光合作用。藍(lán)藻以這種方式在地球上已經(jīng)生存了30多億年。用藍(lán)藻來(lái)生產(chǎn)化學(xué)品有很多好處,比如不與人類爭(zhēng)奪糧食,克服了用玉米生產(chǎn)乙醇的缺點(diǎn)。但要用藍(lán)藻作為化學(xué)原料也面臨一個(gè)難題,就是產(chǎn)量太低不易轉(zhuǎn)化。
研究小組利用網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)了幾種酶,恰好能執(zhí)行他們正在尋找的化學(xué)反應(yīng)。他們將能合成這些酶的DNA(脫氧核糖核酸)引入了藍(lán)藻細(xì)胞,隨后逐步地構(gòu)建出了一條“三步驟”的反應(yīng)路徑,能使藍(lán)藻將二氧化碳轉(zhuǎn)化為2,3丁二醇,這是一種用于制造涂料、溶劑、塑料和燃料的化學(xué)品。
渥美翔太說(shuō),由于這些酶在不同生物體內(nèi)可能有不同的工作方式。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前,無(wú)法預(yù)測(cè)化學(xué)路徑的運(yùn)行情況。經(jīng)過(guò)3個(gè)星期的生長(zhǎng)后,每升這種藍(lán)藻的培養(yǎng)介質(zhì)能產(chǎn)出2.4克2,3丁二醇——這是迄今將藍(lán)藻用于化學(xué)生產(chǎn)所達(dá)到的最高產(chǎn)量,對(duì)商業(yè)開(kāi)發(fā)而言也很有潛力。
渥美翔太的實(shí)驗(yàn)室正在與日本化學(xué)制造商旭化成公司合作,希望能繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng),進(jìn)一步提高產(chǎn)量,并對(duì)其他產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時(shí)探索該技術(shù)的放大途徑。