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植物学专题讲座：蓝藻研究现状和进展概述蓝藻是地球上最早出现的绿色自养生物，它是在地球上几乎还是绝对无氧的还原环境下，第一个利用太阳能将二氧化碳制造成有机物并释放出游离氧气的先驱生物，它对地球上的其他自养生物和异养生物的产生和演化，乃至人类的起源有着无可替代的重大意义。蓝藻的固氮能力在地球生态系统的N素循环中也具有十分重要的作用。此外蓝藻还在环境保护、资源开发等人类生产生活的许多领域中扮演着重要角色。因此蓝藻的研究一直是植物学研究中令人十分关注的重要方面。分类和分布蓝藻门植物为地球上最原始、最古老的一植物类群。约有150属，1500种，分布很广，从两极到赤道，从高山到海洋，到处都有它们的踪迹。根据其植物体的形态不同而分为三个纲：1、色球藻纲：包括所有单细胞体和单细胞群体种类。2、藻殖段纲：包括所有不分枝或假分枝丝状体种类及丝状群体种类。3、真枝藻纲：包括所有具真分枝的丝状体种类。返回蓝藻的形体蓝藻门中的一种真枝藻Stigonema细胞结构：分为细胞壁和原生质体,原生质体又分为周质(periplasm)和中心质(centroplasm)图示细胞壁成分为肽葡聚糖peptidoglycan(又称粘多糖、胞壁质)胞壁外常有胶质鞘中心质(原核)蓝藻(或细菌)细胞的中央区域,无核膜和核仁，但含有DNA分子，具有核的功能，故称原核周质(细胞质)存在光合片层系统、核糖体、伪空泡;缺乏其他各种具膜结构的细胞器光合色素叶绿素a、类胡萝卜素(包括ß-胡萝卜素、蓝藻黄素、颤藻黄素)、藻胆素(包括藻蓝素、藻红素和别藻蓝素)。储存养分蓝藻淀粉、蓝藻颗粒体、脂质颗粒鞭毛结构无几种蓝藻的显微放大图片返回微囊藻Microcystis(图示)返回螺旋藻Spirulina返回颤藻Oscillatoria返回念珠藻Nostoc鱼腥藻Anabaena返回一、固氮蓝藻的研究和利用1、固氮蓝藻的种类：地球上能固氮的生物种类很多，它们全都属于原核生物。在普通的培养条件下，能固氮的蓝藻均具有异形胞。因此一般认为在自然条件中的固氮蓝藻都有异形胞。据鉴定统计，自然界中的这些固氮蓝藻主要是Anabaena、Nostoc、Calothrix、Tolypothrix、Scytonema、Stigonema等属中的种类，它们都是具异形胞的丝状蓝藻。近年来的研究表明：在严格控制的特殊环境下，有约40%的无异形胞的种类也有固N活性。目前己知的固氮蓝藻至少有33属150种。2、异形胞是部分丝状蓝藻所具有的—种特殊细胞，由普通营养细胞转化而来。与普通细胞形态不同之处是细胞壁厚，两端有结节(极区)，类囊体膜解体，细胞颜色浅而透明。其主要功能是固氮和形成藻殖段进行繁殖。返回异形胞的诱导形成及其内部结构在含N培养基上生长的固氮丝状蓝藻，一旦可利用N素即将消耗殆尽，就可以诱发异形胞的产生。实验表明，当碳/氮比到6：1时，就可以看丝体中有规律地(按一定间隔同步地)出现前异形胞，当碳/氮比到8：1时，就可在几小时内发育形成可测出固氮活性的异形胞。异形胞的结构和营养细胞相比异形胞体积稍大，细胞壁外另有具防氧保护作用的由纤维素层、匀质层和薄片层组成的包被。两端加厚成极区，细胞内色素及光系统Ⅱ解体、光系统Ⅰ则仍然保留，另外在异形胞内出现了大量固氮酶并形成了一套高效的同化NH3的机制,以防止NH3的积累。3、固氮酶及其特性蓝藻中的固氮酶(N2ase)由两组蛋白组成-----Mo-Fe蛋白和Fe蛋白。在无O2的环境下，其催化的反应如下式：N2+8H++8e-+16ATP2NH3+H2+16ADP+16Pi以上反应显然是高耗能的还原反应，(每还原一个氮分子可产生2个NH3，需8个电子和16个ATP)。影响固氮酶活性的因素主要有：O2---温度---某些金属离子---Mg、V环境中NH3的浓度---固氮酶的防氧保护：结构特化细胞除氧系统呼吸保护吸氢保护节律性分隔4、固氮蓝藻的应用：生物肥料饲料清洁能源二、蓝藻水华及毒素研究1、某些藻类在环境适宜时能快速生长繁殖并在水体表层大量聚集，这种藻类聚集物就叫做水华。发生在淡水水体中的水华大多由蓝藻造成，主要种类有微囊藻、鱼腥藻、束丝藻……等。2、蓝藻水华的发生机理2.1影响水华发生的物化条件静水与流水…光照…水温…PH…N/P…盐度…微量元素…2.2水华蓝藻的生理生态策略固N机制沉浮调节机制无机碳浓缩利用机制种源越冬及复苏机制3、蓝藻水华的危害性水质恶化、水体缺氧、产生毒素伤害人畜。4蓝藻毒素的种类及危害蓝藻水华的防治蓝藻水华防治是一个世界性的难题，它涉及社会、经济、生活习惯等多个领域，从目前的资料来看应注意以下几点：水质富营养化控制特别是P的控制湖岸带生态控制生物控制机械清除技术三、蓝藻分子生物学研究蓝藻分子生物学是当今生命科学的前沿研究领域，其标志性成就有集胞藻6803基因组DNA全序列分析的完成和多种外源性基因转入蓝藻并成功表达。这些转基因蓝藻在环境治理和生物制药方面显现了重大的应用前景。这些成果中有：1、蚊幼毒蛋白基因转入聚球藻Anacistis可望用于灭蚊2、解氯基因转入鱼腥藻拟用于清除水体中的杀虫剂3、超氧化物岐化酶基因转入聚球藻用于制备重组药物4、人肿瘤坏死因子基因转入鱼腥藻拟用于制备重组药物5、人表皮生长因子基因转入聚球藻用蓝藻作为转基因材料的优点原核生物结构简单，易于分子遗传操作。生长迅速易培养易于分离收集。光合自养，适应性强可在自然环境下生长。可不含内毒素，对产品不必严格纯化。本身含丰富营养成分可直接利用。目前专利尚少四、经济蓝藻-----螺旋藻的规模化培养1、发现历史….2、培养藻种：钝顶螺旋藻Spirulinaplatensis极大螺旋藻S.maxima3、生态习性：适温28-35ºCPh8.5-10.54、营养成份见表5、培养液配方6、培养方法NaCl1.0gK2SO41.0gKNO33.0gH3PO40.25mlNaHCO316.8gEDTA0.08gFeSO4.7H2O0.01g微量元素A液1ml微量元素B液1ml返回赤潮返回