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  1. 新聞動態

    水體守護晶靈——硅藻

    發布人:wseen 時間:2024-5-6 8:46:36

    轉自:中國科學院水生生物研究所水生生物數據分析管理平臺

    如果給我們一雙可以看到微觀世界的眼睛,去觀察大海、河流、湖泊甚至小水洼,會發現有一群單細胞微生物正在水中歡快地游泳嬉戲,其中有一類細胞則更是每人擁有一間水晶小屋,小屋質地堅硬,形狀各異,結構精妙絕倫,在水中創造出一座美輪美奐的水晶宮殿。今天就隨著小編一起去了解一下這群小晶靈——硅藻吧。
    什么是硅藻:
    硅藻是一種真核單細胞光合生物,細胞壁除含有果膠質外,還含有大量的復雜硅質,從而形成堅硬的硅藻外殼。硅藻細胞大小差異較大,細胞長度范圍在2-200μm,一般為單細胞或多細胞彼此相連成鏈狀、放射狀和帶狀等各式群體。硅藻種類豐富且分布廣泛,通常浮游或著生在海水、淡水、半咸水和潮濕苔蘚中,具有極強的環境適應性,在溫度較低的極地和溫度較高的溫泉中均能生長和繁殖,是淡水和海水中浮游生物的主要構成者之一。

    圖1 不同形態特征的硅藻(杜欣攝)
    a:溝鏈藻屬Aulacoseira
    b:美麗星桿藻Asterionella glacialis
    c:舟形藻屬Navicula, d:短縫藻屬Eunotia

    目前基于分子鐘研究推測海洋硅藻起源于2億年前的三疊紀,地質史上已有侏羅紀時期保存較為完整的硅藻化石被發現,而淡水硅藻則起源于中新世,距今也有近3千萬年的歷史,但直到光學顯微鏡的發明,才使硅藻真正走入了人類的視野。世界上第一次關于硅藻的報道是在18世紀初期,1703年一位英國人在用簡單的顯微鏡觀察一種雜草的根部時,發現有些由規則的長方形和正方形結構組成分枝狀物體附生在雜草根部或是游離在水中,他對這種物體進行了描述和繪圖,這是人們第一次對硅藻有初步的認識。

    圖2 平板藻(Tabellaria sp.)手繪圖及照片
    a:平板藻手繪圖(硅藻的第一張繪圖)
    b:平板藻(Tabellaria sp.)(杜欣攝)

    我國硅藻研究始于20世紀30年代,金德祥教授作為我國海洋硅藻研究的奠基人出版了《中國海洋浮游硅藻類》、《中國海洋底棲硅藻類》等專著,開辟了我國硅藻研究的先河,此后更多優秀學者加入到硅藻的研究當中來,不斷涌現出如《中國西藏硅藻》、《硅藻彩色圖集》和《中國海域常見浮游硅藻圖譜》等優秀專著,在硅藻生長繁殖、分布、分類和遺骸沉積等方面做了更細致的研究。
    硅藻的形態結構及分類
    硅藻的細胞壁由上下兩個半片套合而成,上殼較大,下殼較小,兩片半殼一大一小像盒子一樣通過殼環帶嵌套成一個細胞。透明的硅質壁既能夠保護原生質體,又能保證有充分的光線進入細胞進行光合作用,殼上納米尺度的穿孔也為營養攝取、物質交換和細胞產物分泌提供了途徑;硅質壁上具有各種排列規則的花紋,主要有點紋、孔紋、線紋、肋紋等,細胞表面常向外伸展出各種的突起物,如刺、毛和膠質線等。硅藻的結構形態構成了硅藻鑒定和分類的基礎,硅質壁的形狀和紋飾排列方式等也是其分類和命名的重要依據之一。

    圖3 中心綱(上)和羽紋綱(下)殼紋對比圖
    a-b:小環藻屬Cyclotella
    c:菱形藻屬Nitzschia, d:橋彎藻屬Cymbella

    《中國淡水藻志》中將硅藻門分為中心綱(Centriae)和羽紋綱(Pennatae)兩個綱。中心綱細胞殼體通常呈圓盤形、長圓柱形或盒形;殼面多為圓形、三角形和多角形等,極少為橢圓形;殼面花紋呈中心放射狀排列,通常為單細胞或多細胞相連成鏈狀群體。羽紋綱細胞殼體通常呈球形、圓盤形、長圓柱形或盒形;殼面線形、橢圓形、披針形、舟形、菱形、新月形、S形等,具殼縫或假殼縫,殼面花紋兩側對稱,少數不對稱,帶面多呈長方形,通常為單細胞或多細胞相連成帶狀、扇形或放射狀群體。


    圖4 中心綱(上圖)和羽紋綱(下圖)殼面帶面觀圖
    上圖:小環藻屬Cyclotella殼面(左)帶面(右)
    (https://www.landcareresearch.co.nz/)
    下圖:舟形藻屬Navicula殼面(左)帶面(右)
    (http://www.diatomloir.eu)


    圖5 硅藻不同的群體形態
    a:變異直鏈藻Melosira varians
    b:脆桿藻屬Fragilaria
    c:美麗星桿藻Asterionella glacialis
    d:布紋藻屬Gyrosigma

    硅藻的生殖方式
    硅藻生殖方式有營養生殖和有性生殖,其中營養生殖為細胞分裂,是硅藻最主要的繁殖方式。

    (1)營養生殖

    硅藻最普通的一種生殖方式。分裂時,細胞略增大,細胞核、原生質體一分為二,母細胞的上、下殼分開,新形成的兩個細胞各自繼承母細胞壁作為上殼,形成新的下殼,兩個新細胞中,一個與母細胞大小一致,一個小于母細胞。這樣連續分裂的結果,導致個體將越來越小。

    (2)復大孢子

    硅藻細胞連續分裂后,個體逐漸減小,達到一定極限后,細胞將不再分裂,形成一種使細胞恢復到原來大小的孢子,這種孢子稱為復大孢子。復大孢子的形成方式有無性和有性兩種。無性方式由營養細胞直接膨大而成,如中心綱的變異直鏈藻(Melosira varians);有性方式則通過接合作用,借助運動或分泌膠質使細胞個體接近,將其包圍于共同膠質膜內,接合形成。
    (3)休眠孢子
    硅藻細胞適應不利環境的一種方式。硅藻細胞內原生質收縮,聚集于中央,分泌產生厚壁及各種突起和棘刺,等待環境適宜時,休眠孢子以萌芽方式恢復原有形態和大小。

    圖6 冠盤藻(Stephanodiscus)生命周期示意圖
    (WEHR J D,et al.)
    A-D:有性生殖(雌雄配子結合)
    D-F:孢子膨大及有絲分裂
    G-I:營養生殖(細胞不斷減小)

    硅藻在科學研究中的應用
    (1)在物質能量循環中的重要作用

    硅藻在生物圈物質和能量循環中扮演著重要角色,研究表明,地球上大約20%的光合作用是由微小的真核浮游植物硅藻完成的,每年海洋中的硅藻光合作用產生的有機碳大約相當于所有陸地雨林的總和,硅藻能夠固定環境中的二氧化碳并合成自身有機質,在全球碳循環中發揮著關鍵作用。

    (2)在環境監測中的重要意義

    硅藻是水生態系統中重要的初級生產者之一,它們體積小,生長迅速,對水溫、光照、鹽度和酸堿度等環境因子十分敏感,通常被認為是水環境中良好的指示生物。20世紀早期以來硅藻已被作為一種重要的環境監測指示物種,用于湖泊、河流、水庫等水體的生態健康監測,在水質研究及水生態評估中發揮著重要作用。

    (3)助力古生態學研究

    硅藻的生態分布與地理區域和環境條件有著密切關系。硅藻生物體死亡后硅質壁在地層中的沉積蘊涵著豐富的地質時期的環境與年代信息,是追溯地質環境變化的重要生物標志。研究硅藻化石的時空分布和群落演化特征,能夠為古環境的演變和地質事件探究提供重要資料,在古生態氣候研究、石油勘探和地層劃分等領域具有重要的科學意義。

    (4)硅藻納米材料的開發與應用

    硅藻二氧化硅是一種由硅藻產生的天然生物材料,納米尺度的孔隙、脊狀結構和管狀結構賦予了其獨特的物理及化學特性,在傳感器設計、藥物傳遞和能源轉化等多方面存在巨大的應用前景。硅藻作為可自我復制的納米材料來源,根據應用需求設計誘導特異硅藻生物材料生成,為高精尖材料的開發與利用提供了新的思路。

    (5)硅藻土的廣泛應用

    硅藻土是硅藻死亡后堅固、多孔、不易分解的硅質外殼沉降堆積到水底,在一定地質條件下形成的硅藻土礦床,主要成分為非晶體二氧化硅,有密度低、吸附性好、穩定性強和耐磨耐熱等特性,具有極高的經濟價值。硅藻土在工業上具有多種用途,如材料中添加硅藻土能改善瀝青混凝土的性能、提高路面工程質量、減輕建筑物重量和增強墻面隔熱防水性能等。

    圖7 硅藻及硅藻土掃描電鏡圖(LOSIC DLOSIC D, et al.)
    a-c:不同形狀硅藻掃描電鏡圖, d:硅藻土掃描電鏡圖

    隨著對硅藻、硅藻衍生物的深入研究以及硅藻生物監測評價體系的不斷完善,相信在未來,硅藻將對地球生態環境和人類的發展產生非常重要的影響,我們也將同這些神奇的小晶靈們一起做好地球的守護人。

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