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硅藻

硅藻是一类具有色素体的单细胞植物,常由几个或很多细胞个体连结成各式各样的群体。硅藻的形态多种多样。 硅藻常用一分为二的繁殖方法产生。分裂之后,在原来的壳里,各产生一个新的下壳。盒面和盒底分别名为上、下壳面。壳面弯伸部分名壳套。上下壳套向中间伸展部分,称相连带。

硅藻属于不等长鞭毛类这一大类群,这一大类群既有自养生物(如金藻巨藻)又有异养生物(如水霉)。黄棕色叶绿体是不等长鞭毛类的一个特征,这种叶绿体有四层膜,含有类胡萝卜素、墨角藻黄素。硅藻个体通常无鞭毛,但其雄配子具不等长鞭毛,同时与其他类群相比其鞭毛缺乏茸毛。

硅藻在食物链中属于生产者。硅藻的一个主要特点是硅藻细胞外覆硅质(主要是二氧化硅)的细胞壁。硅质细胞壁纹理和形态各异,但多呈对称排列。这种排列方式可作为分类命名的依据。但是这种对称并不是完全的对称,因为硅藻细胞壁的一侧比另一侧略大一点,这样才能嵌合在一起。化石遗迹显示,硅藻最迟起源于早侏罗纪时期。仅中心硅藻类的雄配子具鞭毛,可以游动。硅藻一直以来是一种重要的环境监测指示物种,常被用于水质研究。分类上归为一,辖下有中心硅藻目及羽纹硅藻目。此外也是近海的优势类群。

硅藻门(Bacillariophyta)有100,000多种,可分为2纲。

小环藻属Cyllotella) 属中心硅藻纲圆筛藻目。植物体单细胞,有些种以壳面互相连接成带状群体。细胞圆盘形或彭形。壳面圆形,少数种椭圆形,边缘部有辐射状排列的线纹和孔纹,中央平滑或具颗粒。带面平滑没有间生带。载色体多个,小盘状。以细胞分裂进行繁殖,每个细胞产生一个复大孢子

羽纹硅藻纲(Pennatae)长形或舟形,花纹排列成两侧对称,表面有线纹、肋纹、纵裂缝(壳缝),壳面中央呈加厚状,称中央节,在两端称端节。

羽纹藻属(Pinnularia)属于羽纹硅藻纲双壳缝目。植物体单细胞或连接成丝状群体,壳面线状、椭圆形至披针形,两侧平行,极少数种两侧中部膨大、或成对称的波状。壳面两侧具横的平行的肋纹,中轴区宽。色素体两块,片状,常各具1蛋白核

常见的硅藻还有圆筛藻属Coscinodiscus)、舟形藻属(Navicula)等。 [1]

植物体单细胞,或由细胞彼此连接成链状、带状、丛状、放射状的群体,浮游或着生,着生种类常具胶质柄或者包被在胶质团或胶质管中。细胞壁是由2个套合的半片组成,称半片为瓣。硅藻的半片称上壳(epitheca)(在外)、下壳(hypotheca)(在内),上下壳均有一凸起的面称壳面(valve)。侧面或壳边是两个瓣套合的地方,环绕1周称环带(girdle band)。上壳和下壳都是有果胶质和硅质组成的,没有纤维素。载色体1至多数,小盘状、片状。色素主要有叶绿素a、c,β-胡萝卜素、α-胡萝卜素和叶黄素。叶黄素类中主要含有墨角藻黄素,其次是硅藻黄素(diatoxanthin)和硅甲黄素(diadinoxanthin)。藻体呈橙黄色、黄褐色。同化产物为金藻昆布糖和油。细胞核1个。营养体无鞭毛。精子具鞭毛,为茸鞭型。 [1]

硅藻在食物链中属于生产者。硅藻的一个主要特点是硅藻细胞外覆硅质(主要是二氧化硅)的细胞壁。硅质细胞壁纹理和形态各异,但多呈对称排列。这种排列方式可作为分类命名的依据。

硅藻是一类最重要的浮游植物,分布极其广泛,不管是海洋淡水汽水泥土及潮湿的表面上均可发现。大部分生活在开阔的远洋水域,当然也有的像膜一样生活在海底砂砾上,更有能在仅仅是潮湿的大气中存活的种类。硅藻的一些种甚至会布在2公里的高空。。在世界大洋中,只要有水的地方,一般都有硅藻的踪迹,尤其是在温带和热带海区。因为硅藻种类多、数量大,因而被称为海洋的“草原”。 [1]

上下相连带总称为壳环,这个面称壳环面。有些种类,如根管藻(Rhizosolenia),在壳环面细胞壁上还有很多次级相连带,或称间板。细胞质和一般植物细胞相似。生殖方法有有性生殖和营养生殖(主要繁殖方式)。

为硅藻最普通的一种生殖方式。分裂初期,细胞的原生质略增大,然后核分裂,色素体等原生质体也一分为二,母细胞的上、下壳分开,新形成的两个细胞各自再形成新的下壳,这样形成的两个新细胞中,一个与母细胞大小相等,一个则比母细胞小。这样连续分裂的结果,个体将越来越小。这在自然界和室内培养的硅藻可见到。

硅藻细胞经多次分裂后,个体逐渐缩小,到一个限度,这种小细胞不再分裂,而产生一种孢子,以恢复原来的大小,这种孢子称为复大孢子。复大孢子的形成方式有无性和有性两种。

(1)无性方式 是由营养细胞直接膨大而成,如中心纲的变异直链藻Melosira varians)。

(2)有性方式 通过接合作用,借助运动或分泌胶质使个体接近,然后包围于共同胶质膜内,进行接合。

多见于中心硅藻的一种生殖方式,细胞核和原生质多次分裂,形成8、16、32、64、128个不等小孢子,每个小孢子具1-4条鞭毛,长成后成群逸出,相互结合为合子,每个合子再萌发成新个体。

是沿海种类在多变的环境中的一种适应方式。休眠孢子的产生常在细胞分裂后,原生质收缩到中央,然后产生厚壁,并在上、下壳分泌很多突起和各种棘刺。当环境有利时,休眠孢子以萌芽方式恢复原有形态和大小 [1]

硅藻研究人员选取了2种福建九龙江口红树林区典型多环芳烃,进行多环芳烃对优势藻的毒性效应研究。所选藻种为浮游藻中肋骨条藻和附着藻菱形藻,经分离、纯化和培养,所用的典型多环芳烃为荧蒽。结果表明:丙酮对两种藻的不可见效应浓度值均为0.3-(v/v),菲对中肋骨条藻和菱形藻急性毒性试验的72 h半数生长抑制浓度(72-EC50)分别为0.95 mg/L和0.32 mg/L,而荧蒽对中肋骨条藻和菱形藻的72-EC50分别为0.17 mg/L和0.09 mg/L。中肋骨条藻对菲和荧蒽的耐受性比菱形藻强,菲对中肋骨条藻和菱形藻的毒性比荧蒽弱。 [1]

赤潮:海洋环境如果受到富营养污染或其它原因,常使某些硅藻如骨条藻、菱形藻、盒形藻、角毛藻、根管藻、海链藻等生殖过盛,形成赤潮,使水质恶劣,对渔业及其它水产动物带来严重危害。

有些硅藻(如根管藻)生殖太盛并密集在一起,可阻碍或改变鲱鱼的洄游路线,降低渔获量 [1]

它们靠光合作用将海水中的无机物合成自身需要的有机物。硅藻色素包括叶绿素a、c1、c2、以及胡萝卜素。它们能吸收太阳光的能量,将细胞中的水分解,使水分子上的一个氢原子分离出来,一部分有利的氢原子和二氧化碳化合经过复杂的化学变化后就产生了糖和淀粉,这就是光合作用。这些物质再和细胞吸收的氮、磷、硫等物质进一步作用,氧就形成了蛋白质和脂肪等物质。游离出的部分氢原子每两个和一个氧原子结合形成了水,氧分子中的另一个氧原子就从细胞里跑出来溶解到水里或者跑到大气里去 了。地球上有70-的氧气是浮游植物释放出来的,浮游生物每年制造的氧气就有360亿吨,占地球大气氧含量的70-以上。由于硅藻数量又占浮游生物数量的60-以上,这样可以推算,假设现在地球上没有硅藻了,不用3年,地球上的氧气就耗干了。动物和人类也就都没法呼吸了。

硅藻是鱼、贝、虾类特别是其幼体的主要饵料,它与其他植物一起,构成海洋的初级生产力。 硅藻还是形成海底生物性沉积物的重要组成部分。经过漫长的年代,那些在海底沉积下来的以硅藻为主要成分的沉积层,逐渐形成了经济价值极高的硅藻土。硅藻土不但含有丰富的营养物质,而且还能完好地保存动植物的遗体,在古生物学研究领域具有重要意义。

硅藻死后,它们坚固多孔的外壳细胞壁也不会分解,而会沉于水底,经过亿万年的积累和地质变迁成为硅藻土。硅藻土可被开采,在工业上用途很广。可制造工业用的过滤剂、隔热及隔音材料等等。中国山东山旺地区就出产大量的硅藻土。游泳池的主人将老化的硅藻壳拿来过滤水里的污染物质。诺贝尔奖的创始人alfred nobel发现将不稳定的硝化甘油放入硅藻所产生的硅土后可以稳定的成为可携带的炸药。 [1] 人们还猜想,石油是来自远古硅藻产生的油类。也有人认为,地球上有机物质中的3/4是来自于硅藻和藻类的光合作用。 [2]

从2007年起,乔治亚技术研究所的研究人员就开始开发一项用基因工程改造伪矮海链藻的技术,希望用其来创造一种新的硅结构。通过用基因复制的技术来研究硅藻构建复杂硅质细胞的过程,研究者最终的目的是要找到一项在实验室中制造纳米材料的技术。

硅藻是一种水生的单细胞生物,它的细胞壁上有大量的气孔,使其兼具小质量和坚固的结构。像雪花一样,硅藻的细胞壁有多种形态。

研究者假设这种结构的多样性源自一种特殊的silaffin蛋白质,它存在于硅藻的硅产生组织中。通过基因技术来复制硅藻的silaffin,研究者不仅可了解了硅藻的细胞生化结构,还可能应用这些组织来生产商用的化合物和材料。

海绵等生物体能够利用自身中的某些蛋白质和多聚糖在水相、中性ph和室温等温和反应条件下介导生成具有精确可控形态结构、生物相容性好的生物材料生物硅胶。许多研究者从硅藻等这些生物体得到启发,利用不同的天然的或人工合成的大分子在不同的反应环境和体系下介导不同类型的硅前体仿生合成了许多不同形态、尺寸大小的硅胶 [1]

硅藻成为未来太阳能电池研究模板

在人类发明硅基太阳能电池之前,自然界中的硅藻早就开始利用二氧化硅来收集太阳能。藻类外壳利用阳光的构筑是未来太阳能电池原材料和模型构筑的最佳供体。挪威科技大学(NTNU)和挪威科技工业研究院(SINTEF)组成斯堪迪纳维亚半岛最大的跨学科团队正在利用硅藻和其他单细胞藻类作为未来太阳能电池研究的模板,来制造太阳能利用率与藻类媲美的硅藻太阳能电池 [3]

藻类有200 个门,10 万多个种,大多数生活在海水中,能利用太阳能进行光合作用。藻类是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有机体,其能较少的反射太阳光,并通过网格毛孔捕获太阳能。藻类高效利用阳光的最大秘密在于其外壳,其中单细胞的硅藻外壳是最佳模型。硅藻外壳是由结构极为复杂精密的二氧化硅组成10~50nm 的六边形微孔排列形成丝网状结构。这种复杂的结构能使射进的光线无法逃逸。该项目负责人Gabriella Tranell 表示,这种纹饰繁密的藻壳不仅增强了硅藻的硬度和强度,使其具有能悬浮起来的机械性能,而且提高了其运输营养物质和吸附、附着的生理功能,且阻止了有害物质进入,增强了光吸收率。

该团队从世界上一万多种硅藻中筛选出外壳结构最好的微藻:假微型海链藻、牟氏角毛藻、羽纹藻和圆筛藻。其中圆筛藻的外壳结构最好,但圆筛藻却很难培养。研究人员应用纳米技术,利用延展性较好的贵金属金为原材料,以硅藻外壳为模具,用生物模板法复制了具有优质光学性质的硅藻外壳结构。接着测试了该黄金仿生结构复制品的各个结构和光学性质,并利用计算机进行模拟。而后通过计算机模拟获得不同外壳各层组件的结构(如不同孔径、形状等)的光学测试阐释了硅藻外壳捕获太阳光、反射太阳光的原理和最佳入射光角度与结构选择。据此获得计算机模拟的光吸收最佳模型并依此寻找自然界中的最佳硅藻外壳。

在现实中为了使硅藻外壳表面不覆盖其他杂质且形成不相互重叠的外壳单层,研究者先用海藻酸清洗去外壳上所有有机物质和杂质,然后尝试让带负电荷的硅藻外壳在带正电荷的平板上形成平坦的单分子层。另外研究者也尝试用梯度密度法,即让硅藻在两种不相容液相(如水与氯仿)交界面处自然形成单细胞外壳层。

获得高质量、耐热、耐化学腐蚀的硅藻外壳,是硅藻的重中之重。该团队通过控制培养基中氮、磷、锌、维生素和微量元素等来调控硅藻合成外壳。通过特定时期减少硅酸盐浓度、添加二氧化钛,使得外壳表面覆有导电性的二氧化钛。

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