藻類的生態作用

藻類是地球上最原始的自然生態植物。它能利用光能合成無機物質，以滿足自身需要。在自然界，藻類幾乎到處都分布，但它主要生長在水中（淡水或海水），以及潮濕的巖石和樹干上。墻壁、土壤表面及下層也有分布.在水中生活的藻類,有的浮游于水中,有的固著于水中巖石上或附著于其他植物體上.藻類植物在形態上千差萬別,小的只有幾微米,大的肉眼可見,最大的面積可達60m2以上,藻體結構也比較復雜,但是盡管藻體有大小和簡單復雜的區別,但它們基本沒有根、莖、葉的分化.化石記錄,大約在35～33億年前,地球上的水體中首先出現了原核藍藻,15億年前,已有和現代藻類相似的有機體存在.因此藻類植物是一群古老的植物,從現代藻類的形態、構造、生理等方面也反映出藻類是最原始的植物,如藻類植物進行光合作用的是載色體,無真正的葉綠體,載色體上所含的色素及同化產物也不盡相同;植物體具蛋白核,有的藻類如藍藻門植物沒有真正的細胞核,在細胞分裂過程中出現中核,如裸藻門、甲藻門的植物;繁殖方式多種,有簡單的營養繁殖、無性繁殖及接合生殖.藻類與人們的日常生活密切相關,多種海產藻類如海帶、裙帶菜、紫菜、石花菜是人們最常食用的藻類,這些藻類營養價值很高,含大量的糖類、蛋白質、脂肪、各種維生素和有機碘.近年來,螺旋藻的藥用價值得到充分肯定.藻類植物與水中的經濟動物像魚類的關系密切,在各種水域中生長的藻類特別是小型藻類直接或間接地是水中經濟動物如魚、蝦的餌料;在一定的環境條件下,藻類可能對養殖業的發展產生危害,有些藻類如綠球藻、直鏈藻可引起魚生病致死,魚池中生長大量顫藻和席藻可使魚肉變成一種難吃的沼澤土味;夏季,微囊藻、魚腥藻、囊絲藻大量繁殖形成的水華,甲藻過量繁殖形成的赤潮,對漁業都造成了嚴重的危害.在農業上,人們挖掘藻類沉在水底后形成的有機淤泥作肥料,還常打澇海藻和淡水藻作為綠肥;利用有固氮作用的藻類固氮以提高土壤的肥力.藻類還是許多工業產品的原料,如從褐藻和紅藻中可提取許多物質如藻膠酸、瓊膠、卡拉膠、碘化鉀、乳酸等.藻類在凈化廢水方面以及探礦的指示作用上也有不可忽略的作用.因此很長時間以來,藻類研究也是科學家們研究的一個重點,本文就5年來國內的研究作以綜述,以期發現今后藻類研究的重點和發展的趨勢.1鼓藻屬和新農屬藻類分類研究方面,比較多的工作者將目光投放在地區藻類的調查上,并由此發現了一些新紀錄,如王克勤等人對烏魯木齊南山八一林場山區的綠藻、鼓藻屬和新月屬的藻類做了初步調查,得到綠藻分屬3目、6科、11屬、12種,其中10種為新疆新紀錄,發現鼓藻屬和新月屬的20多個新紀錄;施之新,饒欽止報道了我國首次發現的13個具囊殼裸藻類的新種類;胡春香等對寧夏沙坡頭地區藻類進行研究,發現沙坡頭地區藻類植物共計40種,并對這些藻類的分布特點和多樣性進行了研究.瓊次仁、衣艷君分別調查了拉薩和山東地區的藻類.在藻類資源調查方面做出工作的還有陳錫林、房英春、陳珊等.其中陳珊、胡鴻鈞在四川、廣東、湖北等地調查時,發現了團藻目6個屬的5個新種.從以上工作可以看出,在藻類的資源及分類研究方面,工作者們做出的工作大都集中在藻類紀錄的增補方面,擴展了一些藻類的分布地區,豐富了地方的藻類資源,而在新種方面,這五年來增加的記錄并不多,這與這些被研究的藻類本身很微小、形態不易辨認有關.2藻體細胞結構和成分的結構在藻類的組成成分上,研究主要對準的是色素及捕光色素蛋白、糖類、氨基酸類等.在色素方面,較早有袁建平等人(1997)提出用高效液相色譜法可測定藻類中類胡蘿卜素和葉綠素.李愛芬等人(1999)、陳敏等人(2000)則分別對藻類光合作用PSⅠ色素蛋白復合物和藻類PSⅡ捕光葉綠素蛋白復合物的結構及長波熒光特性的研究進展作了綜述,指出藻類葉綠素蛋白復合物的種類及其色素、蛋白組成要比高等植物變化多樣,并且代表著不同的進化層次.在藻類的多糖及氨基酸等藥用成分的基礎研究方面,有孫建光等人(1998)對螺旋藻多糖的組成與功能及影響藻類多糖生成的因素作了綜述性研究,指出硝酸鹽是多糖合成的限制因素.陳素珍等人(1999)則測定了沙菜屬3種經濟藻類的16種氨基酸和12種元素的含量,為藻類的開發和利用提供了依據.徐年軍等人(2000)綜述了近10年來國內外報道的26種微藻和34種大型藻的抗腫瘤活性以及相應活性化合物的結構,對其中較重要者的作用機理作了較詳細的介紹.金屬硫蛋白也是研究的一個熱點,金屬硫蛋白(MT)是一類廣泛存在于生物體內的低分子量、富含半胱氨酸、能被金屬離子誘導的金屬絡合蛋白,1957年首先從蓄積鎘的馬腎臟中分離得到,現在已有人在藻類中誘導提取得到,并在結構上進行了一些研究,認為這類金屬硫蛋白與哺乳動物金屬硫蛋白結構差異很大.陳正佳等人(1999)對ZnCl2誘導的藻內類金屬硫蛋白結構進行圓二色性圖譜分析表明其二級結構主要為無規卷曲,不含α-螺旋和β-折疊,無哺乳動物的金屬硫蛋白所具有的典型雙結構域結構.郭祥學等人(1997)將單細胞藍藻以50μmol/LZn2+誘導分離純化后得到類金屬硫蛋白,經研究:其單體分子量為8750,N末端測定為纈氨基酸,氨基酸組成分析得每分子(56個氨基酸),含10個半胱氨酸,疏水氨酸較多,且含有芳香族氨基酸,原子吸收光譜測得每分子蛋白結合4個二價金屬.任育紅等人(2001)則用不同濃度的ZnSO4對綠藻門綠藻綱塔形亞目扁藻科扁藻屬亞心形扁藻進行誘導培養,結果表明扁藻類MT的合成隨著ZnSO4濃度的升高而增大,誘導效果明顯.隨著生物研究技術的發展以及一些技術在新領域的應用,藻類成分的分析方法也有較大的發展,如冷春玲等(1998)利用掃描電鏡X射線能譜分析儀,對四種單細胞藻類細胞內含有的元素種類進行了分析;苑寶玲等(2001)采用固相萃取(SPE)和高效液相色譜法(HPLC)對藍綠藻肝毒素進行富集與分離;何培民等(2002)應用電鏡及免疫電鏡技術對萊茵藻、小球藻、條滸苔和紫菜等藻類的葉綠體蛋白核的超微結構及主要組成成分進行了觀察和研究,用金相免疫技術檢測結果顯示Rubisco和Rubisco活化酶均在蛋白核及淀粉鞘區域中定位,表明蛋白核具有光合作用功能.藻類肝毒素是飲水資源的一個大問題,而國內在這方面的基礎研究很少報道,晏曉容(1999)對藻類肝毒素,即微囊藻毒素和節球藻毒素在分子結構、急慢性毒性以及毒作用機制等方面的研究進展作了綜述.浮游藻類是一類形態微小的藻類,對其營養成分的報道也不多,只有曹吉祥等(1997)研究了10種淡水常見的浮游藻類的營養組成,報道了淡水中綠藻、藍藻、隱藻、裸藻及硅藻等門的10種常見浮游種類的C、N、H元素組成,脂肪、糖、灰分含量以及氨基酸、脂肪酸含量及組成.結果表明,不同藻類之間營養組成差異很大.微囊藻、隱藻蛋白質含量最高,其次為裸藻、綠藻,硅藻最低;氨基酸總量、必需氨基酸含量及主要氨基酸種類,不同藻類之間有差異,但EAA比例相差不大;脂肪酸組成的差異最明顯.何培民等人(2000)綜述了藻類葉綠體DNA特性及基因圖譜.3重金屬與藻類的相互作用在生理方面,藻類與植物生長物質的關系是值得重視的一類研究.在這方面,有李敦海等人(1999)綜述了藻類與植物生長物質的關系,指出今后藻類與生長物質關系的研究,應從其合成途徑方面多做研究,在研究方法上提出應找出產生藻類可能存在的內源生長物質的位點,切除此位點,觀察藻類的生長發育;趙英魁(1997)研究了大麥草對淡水藻類生長的抑制作用.重金屬污染研究是環境污染的大問題,因此如何去除水體中的重金屬也是研究的一個熱點,因為水體中不可缺少的有藻類生物,所以研究藻類與重金屬的相互作用具有現實意義.如姜彬慧(2000)分析了藻類與重金屬的相互作用,指出重金屬對藻類生長有毒害作用,可對藻類生理、生化功能產生影響,而藻類對金屬可發生反應,可以對重金屬吸收并積累,還可對重金屬產生抗性和耐受性,提示重金屬污染對水體危害十分嚴重,而利用藻類凈化重金屬廢水具有重要的意義.紫外線輻射可以造成生物染色體畸變,現在有很多科學家研究植物對紫外線的輻射適應以及傷害抵御的機制,在紫外線對藻類的影響研究方面,有陳善文等人(2000)研究了UV-B增強對藻類的影響機制及藻類對UV-B的適應機制,指出UV-B對藻類有明顯的傷害作用,損傷的主要目標是蛋白質、DNA和光合色素等物質;同時藻類對UV-B也有一定的適應能力,其適應的方式主要是逃避、屏障、損傷修復等.當損傷和修復處于一種平衡狀態時,不會顯現受傷跡象,只有當損傷超出修復能力時,才會表現受傷癥狀.在藻類的生態研究方面,可以分成幾個部分:3.1育苗池藻類組成劉玉等人(1997)對深圳福田紅樹林5個分布區的藻類種群、群落結構及生態學進行研究,研究后發現每個樣區藻類的種群、群落構成有其特殊性,認為和藻類本身特性及浮游動物有較大關系.王起華等人(1998)對大連石廟鮑育苗池冬、春季底棲藻類的組成作了調研,得出育苗池藻類組成的特點:硅藻種類比較豐富;冬、春季藻類群落組成有一定的主次,演替表現十分明顯,種類的重現率不高.陳宇煒等人(1998)初步探討了西太湖北部夏季藻類分布和種間關系,結果顯示,西太湖北部夏季藻類主要由藍藻、隱藻、硅藻、綠藻、裸藻和甲藻六大門類組成,以微囊藻為優勢種的藍藻水華主要在夏秋季爆發,夏季梅梁灣內藻類光合效率較高是該地區藍藻暴發的原因之一;自梅梁灣河口湖區向外太湖,藻類總生物量遞減,且種類組成也發生變化;藻類中間關系主要體現在同屬種類顯著正相關.3.2浮游動物生態系統分布模型許今玉等人(1997)采用因子分析和兩因素方差分析方法,對長春南湖小湖區的藻類組成、數量變化進行了研究,結果表明:南湖小湖區32種藻類共分為四大類群,其中三大類群種類組成和數量隨季節變化差異顯著,而不同監測點之間的差異不顯著.王旭等人(1998)根據南麂列島附近3條潮間帶的底棲藻類監測結果,結合同水域的水質及底質環境質量,初步評價了這3個區域底棲藻類的生態種群、密度、形狀及季節變化與環境質量之間的關系.王春生等人(1998)研究了南麂列島附近海域浮游動物的分布及其與浮游藻類和營養鹽之間的關系.結果顯示:浮游動物豐度與浮游藻類細胞總密度和硅藻細胞密度有正相關性,與硅酸鹽和硝酸鹽的濃度有負相關性,張雅燕等人(2002)以千島湖1998—2001年連續監測資料為基礎,運用多元線性回歸手段,以水溫等7項環境因子對葉綠素a、藻類細胞密度、魚腥藻細胞密度作回歸統計,建立多元回歸方程,初步建立了千島湖藍藻魚腥藻細胞密度的預報模型.結果表明:水溫和溶解氧是千島湖藻類細胞密度的顯著相關因子,在控制藍藻魚腥藻方面,削減入湖的COD和磷元素總量具有現實意義.韓仕群等人(2000)研究了圍灘魚塘生態系統中藻類的種群分布、變化及其與環境因子的關系.結果表明:藻類種群數量、生物量等存在動態變化;影響藻類種群的主要水環境因子是氮磷比和總磷,藻類生物量與氮磷比呈極顯著負相關關系.李適宇等人(2002)從宏觀上和特殊性兩方面對珠江口進行浮游藻類生態發生與關鍵水質因子(鹽度、DO、PO4-P、NO3-N)關聯的研究與總結,得出二者間確有關聯.相關分析顯示,在整個水域鹽度與藻類生長為正相關,藻類豐度與最高溶氧也為正相關,藻類生長與活性磷和硝酸鹽之間仍為負相關.蘇勝齊等人(2002)研究了池塘中菹草著生藻類,認為著生藻類的著生與菹草生長相互抑制,著生藻類的密度和生物量表現出明顯的季節差異.土壤是影響植物分布的生態因子之一,王銘在2002年作了貧瘠土壤與肥沃土壤表層土中藻類種群比較的研究,發現貧瘠土壤樣品和肥沃土壤樣品中藻類優勢屬不同,而且同一屬在兩種土壤中相對密度不同.3.3環境模型研究生態模型研究是隨著計算機的發展而應運而生的一門新學科,現在在藻類模型研究方面,主要是根據藻類生長的某個地區的生態因子而建立生長模型,找到藻類生長的關鍵因子后,根據當年的環境,預測藻類的生長,特別是一些造成危害的藻類的生長.劉元波(2000)以過程模擬研究為主線,從藻類生長與吸收、生態過程、尺度與空間異質性等方面闡述了湖泊藻類動態模擬研究的發展態勢與存在問題,認為結構動力學模型、生態與水動力耦合模型、面向對象模型和神經網絡模型等具有良好的發展前景.陳宇煒等人(2001)以太湖梅梁灣1992—1999年的連續監測資料為基礎,運用多元逐步回歸統計方法,選擇水溫等15項環境理化因素與藻類葉綠素a、藻類總生物量和微囊藻生物量等3項生物因素進行逐步回歸分析,找出與生物因素顯著相關的環境因子,建立多元逐步回歸方程,預測梅梁灣藻類生物量的變化情況,初步進行了梅梁灣藍藻水華的預測預報.結果顯示:水溫和總磷為梅梁灣藻類總生物量的顯著相關因子,水溫、硝態氮和總氮為微囊藻生物量的顯著相關因子.王洪禮等人(2002)基于渤海典型赤潮藻類——中肋骨條藻,考慮浮游動物的捕食、光照及營養物質的作用,建立了渤海灣的浮游動物—藻類—營養物質三者的動力學模型.運用現代非線性動力學理論著重分析了模型的穩定性及分岔行為.研究了多個參數對藻類生長的影響,發現某些參數對藻類的生長影響不大,而某些參數則會致使藻類模型出現分岔乃至混沌行為,并給出了這些參數的閥值,這與赤潮的形成(爆發性增殖)密切相關;并根據渤海灣的赤潮數據進行了有效的數值模擬.4藻類與工程魚類的相互作用藻類的研究當然不僅局限于以上的研究領域,在日常生活中,與人們密切相關的還有飲用水中的藻類污染問題以及食用藻類的毒素相關問題,有人研究利用藻類去除污染水源中的重金屬,以達到凈化水質的目的,還有人利用藻類來混凝水中污染物達到