2021-01-19 18:09:16

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编辑分类

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。分类上归为一纲,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。

基本信息

  • 中文学名

    硅藻

  • 二名法

    diatom

  • 植物界

  • 种子植物门

  • 硅藻纲

  • 硅藻

  • 分布区域

    温带和热带海区

折叠 编辑本段 基本概述

硅藻硅藻

藻类[1]植物中的一个类群,有人定为硅藻门 (Bacil-lariophyta),有人定为硅藻纲 (Bacillariophyceae)。硅藻是单细胞种类,少数为群体。细胞壁高度硅质化,成为坚硬的壳体,壳体由上、下两个半壳套合而成。光合作用色素主要有叶绿素a、叶绿素c和胡萝卜素、岩藻黄素、硅藻甲黄素等,因此,它的色素体呈黄绿色或黄褐色。

硅藻的多数种类为水生,以浮游生活为主,也有些种类附生在水中各种基质或其他水生植物体上。少数硅藻生于土壤中,羽纹硅藻在每立方厘米土壤中可达一亿个。

硅藻细胞壁外的胶状膜能吸附放射性物质,致使一些敏感种迅速死亡,因此,硅藻又可作为放射性物质的指示植物。有些种类,如普通等片藻 (D.valgare)耐油性很强,又可作为油污染的指示种。

硅藻的分布受地区、季节、水温、盐度等各种因素的影响,因此,各地区常见的指示种不完全一致。有一些种类是广布性的,适应性很强,各种污染带均会出现,在利用硅藻指示水体污染时,应注意识别。

硅藻是一类种类繁多的低等植物,约11000多种。在海洋中硅藻的种类最多,淡水和潮湿的土壤也不少。据估测每一立方厘米土壤中有羽纹藻约1亿个。硅藻种间个体差异大,小者3.5微米,大者300-600微米。硅藻的身体虽然只有一个细胞,可这一个细胞却非常有趣。它既不象动物细胞一样没有细胞壁,也与植物细胞的细胞壁大不相同。硅藻的细胞壁由大量的硅质组成,分为上下两部分组成,上面的盖叫上壳,下面的底叫下壳,上壳套住下壳,并且上下壳面上纹饰图案非常精美。如同透明的水晶箱,或者好比一间精致的玻璃小屋。从十六世纪显微镜下发现的这些颇具魅力的小生物后,科学家们耗费了许多的笔工来描绘这些绚丽的玻璃壳。硅藻硅藻

硅藻靠太阳光和吸收水中的无机物生活。每到春季来临,明亮而温暖的阳光使这些微小的植物苏醒过来。优越的自然条件,给浮游植物的生长带来良好的时机,于是,它们迅速繁殖。没有过多久,就铺满了广阔的水面……。没有阳光,硅藻不能生存,所以它们大多生活在阳光充足的水体表层。那么硅藻自身又不能运动,它们有使自己呆在表层而不沉到水底去的本领吗?有!你看,它们当中有些长得体态轻盈,身体里百分之九十以上充满水分;另一些则长了许多突起物和刚毛,长成球形,或者长得像降落伞,尽量扩充身体的表面积,以便增加浮力或摩擦力,使它们毫不费力就可长期漂浮在水中。 硅藻为什么要住在海洋的玻璃屋里呢?据科学家们研究发现,这些漂亮可爱的外壳实际上与他们的功能是紧密相连的。当4-6千万年前地球大气层内的二氧化碳越来越低,硅藻便把自己装在玻璃容器里,因为这样能帮助在容器的空间内浓缩到足够的反应物质。另外玻璃壳上那些微孔与细微的纹路让硅藻产生了些比平滑表面更多的表面积,这些表面积让硅藻的光合作用更有效率。因为演化出这个玻璃壳才让硅藻成为地球上数量最成功的生物体。

折叠 编辑本段 科属分类

硅藻纲(Bacillariophyta)有100,000多种,可分为2纲

折叠 中心硅藻目

中心硅藻纲目(Centricae)圆形,辐射对称,壳面上的花纹自中央一点向四周呈辐射状排列,海产多。

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。

折叠 羽纹硅藻目

羽纹硅藻纲目(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。

羽纹硅藻属(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。

折叠 编辑本段 地理分布

硅藻是一类最重要的浮游生物,分布极其广泛。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”。

折叠 编辑本段 生态意义

浮游生物的个体虽然小得微不足道,却是水中原始食物的生产者,要是没有它们,水里的大生命恐怕也就无法生存了。

硅藻硅藻

尤其是硅藻,营养丰富,容易消化,不仅浮游动物、小鱼小虾和贝类喜欢吃,许多大家伙,像等又都以小鱼小虾等为食料。因此硅藻等浮游生物的多寡,明显地决定着鱼类的产量,这是无可置疑的了。每年春天,对虾和许多鱼类都喜欢来我国渤海、黃河口一带产卵,就是因为这里风平浪静,水温适宜,硅藻非常丰富的缘故。有人估计,海豹长膘一磅,需要消耗半吨硅藻。另外,据报道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。动物和我们人类也就都没法呼吸了。 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。硅藻士可被开采,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。我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。

折叠 编辑本段 受到危害

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。

折叠 编辑本段 种类介绍

对水质的适应能力各不相同,在20世纪初即已被用作水污染指示生物。直链藻属(Melosira)和桥穹藻属(Cуmbella)的一些种是多污带的指示种;冠盘藻(Stephanodiscushantzschii)、狭窄菱形藻(Nitzschia angustata)、尖菱形藻 (N.apiculata)等是甲型中污带的指示种; 孟氏小环藻 (Cуclotella meneghiniana)、钝脆杆藻(Fragilaria capucina)、尖针杆藻(Sуnedra acus)、肘状针杆藻(S.ulna)等是乙型中污带的指示种;羽纹脆杆藻 (F.pinnata)、连结脆杆藻凸腹变种(F.construens var.venter)、长等片藻(Diatoma elongatum)、冬季等片藻(D.hiemale)、窗格平板藻(Tabellaria fenestriata)等是寡污带的指示种。

折叠 编辑本段 水中艺术

硅藻是水中有机物质初级生产者之一,它们的构造奇特,巧夺天工,呈现许许多多美妙的不可思议的花纹和图案,它们的身体却非常微小,一般小的仅有千分之几毫米,大的也不超过1~2毫米。在那清澈透亮的水滴中,隐藏着它们的身影,必须借助光学或电子显微镜才能窥探其尊容。别以为它们个体小,其实一个小细胞就是一个完整的生命体。当外界条件适宜,硅藻大量繁殖时,能使数万平方公里的海水改变颜色。水生动物的幼体以及鲻鱼牡蛎、蛏、……和肉眼不易看到的恒河沙数的浮游动物都直接地依靠吞食硅藻等这类小微型生物为生。俗话说:“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米”,那么“虾米”吃什么?就是吃这样的一些小微型生物了。有人估计,海豹长膘一磅需要半吨硅藻。

折叠 编辑本段 生殖方式

硅藻硅藻

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。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。生殖方法有形成复大孢子、小孢子和休止孢子等。

1.营养生殖 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。

2.复大孢子 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。

3.小孢子 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。

4.休眠孢子 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。

折叠 编辑本段 价值

折叠 释放氧气

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。

硅藻图片(5)

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。

折叠 海洋初级生产者

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。

折叠 形成硅藻土

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。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。

折叠 编辑本段 相关焦点

汉江局部河段水体异常系硅藻过量所致

硅藻硅藻

2008年2月27日上午,湖北省环保局向新闻界通报了东荆河水体色度变化的原因,主要是硅藻过量繁殖,使汉江局部河段呈现轻微硅藻水华现象。 近日,湖北省监利县和潜江市部分群众和自来水厂的职工发现,流经这里的东荆河水体颜色异常,相关自来水厂及时关闭。

2008年2月26日上午,在接到环保部门的报告后,湖北省委书记罗清泉、省长李鸿忠指示,核实情况,责令采取得力措施,确保群众饮用水安全。2月26日,湖北省环保局召集有关专家会商分析,认为东荆河水体颜色异常,源于该区域近期气温迅速回升,汉江以及东荆河段水量减少,流速缓慢,加之水体营养值偏高,专家初步认定,是硅藻(小环藻为主)过量繁殖,导致水体色度变化,使局部河段呈现轻微硅藻水华现象。

2008年2月26日下午2时,经省政府协调,水利部门采取从长湖开闸放水的方式,对东荆河进行补水。已关闭的自来水厂,将陆续恢复供水。作为预防性措施,湖北省环保局已协调省水利厅,争取从丹江口水库增加下泄流量,加大汉江流量和流速,以消除汉江硅藻的形成条件。

折叠 编辑本段 技术应用

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。

硅藻图片(7)

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。

参考资料

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