水生藻类及其探测方法简析

1、水体藻类及其探测方法简析一、水体种常见藻类及其特性11、原核藻类原核藻类是具有核物质，但没有核膜核仁，没有成形叶绿体等细胞器，具有光合色素能够进行光合作用的原核生物。包括蓝藻和厡绿生物1.1、 蓝藻1.1.1、形态蓝藻形态有单细胞、非丝状群体（片状、球形、椭圆形等）、丝状体（分支或不分支）等多种类型。蓝藻不具鞭毛，但有些丝状体可滑行，如颤藻属。具有细胞壁可被溶菌酶溶解。1.1.2、原生质质体内有环状DNA分子，没有蛋白质与之结合，无细胞器，只有膜状片层光合系统类囊体。光合色素存在于类囊体表面，极少个体只具有光合色素，光合场所为原生质膜。光合色素主要是叶绿素a、类胡萝卜素、藻胆素，藻胆素为一类水

2、溶性的光合辅助色素，主要吸收绿光和橙红光。光能传递过程：光能藻红素藻蓝素叶绿素a。蓝藻细胞大多呈蓝绿色，胞质内有气泡可调节沉浮。光合产物主要是蓝藻淀粉、蓝藻颗粒体和脂质颗粒等。另，一部分丝状蓝藻的细胞列中具有就有一种特殊的细胞异性胞，它是由普通的营养细胞分化形成，具有较厚的胞壁，主要有两个功能，一是将藻丝细胞分割成藻殖段进行营养繁殖，二是细胞内含固氮酶，可直接固定大气中的氮。1.1.3、繁殖分布蓝藻主要繁殖方式为营养繁殖，包括细胞直接分裂、断裂和形成段殖体进行繁殖。此外，少数种类进行孢子生殖，可长期休眠以度过不良环境。蓝藻不具有有性生殖。蓝藻的分布范围很广，淡水、海水中，潮湿地面、树皮、岩石都

3、有生长，尤以富营养化的淡水水体中，适应能力强。此外，还有一些藻类与其他生物共生，如和真菌共生可形成地衣。1.1.4、价值与危害蓝藻具有可食用，如发状念珠藻等、固氮，如满江红鱼腥藻等，稻田中放养蓝藻可增产7%15%，在缺氧条件下还可催化释放氢气，是理想的清洁燃料。蓝藻还具有很多科学价值，在光合、固氮、叶绿体起源和植物进化等研究中具有重要地位，不仅是植物分子生物学研究的重要模式，还在基因工程研究上取得了许多重要成果14-15。但蓝藻也会形成严重的水华，许多蓝藻喜生于有机质丰富的富营养化水体中，特别是夏季，常在湖泊、池塘或河流中过量繁殖甚至是爆发式的繁殖，使水体变色，形成藻体浮沫散发霉腐味和腥味。由

4、于水华的发生有进一步加剧了水的污染，带来更严重的危害，如水体中大量溶解氧被消耗造成水体中的鱼、虾等水生动物因缺氧窒息而死。有些蓝藻还会产生毒素引起水生动物和人畜中毒，如微囊藻、鱼腥藻、束丝藻和颤藻等可以产生藻毒素。1.2、厡绿生物厡绿生物是上世纪80年代发现的具有叶绿素a,b，但不含藻胆素的原核藻类。单细胞，翠绿色，具有核糖体和多面体。含有胡萝卜素和叶黄素，不仅具有光合系统的功能，还具有光合系统的功能。对于研究生物的系统发育具有重要意义。2、真核藻类 真核藻类是一群没有根、茎、叶分化的，能够进行光合作用的低等自养真核植物。2.1、特征2.1.1、形态，结构真核藻类大多个体微小最小的仅有几微米，

5、也有较大种类，如海带。形态丰富多样，大多数结构简单没有明显的组织分化，体内也没有微管组织的分化。细胞具有细胞壁、细胞核和各种细胞器，光合器形态多样，如盘状、杯状等。光合色素包括叶绿素、胡萝卜素、叶黄素和藻胆素。光合器都具有双层膜，大多数为不同数目的类囊体形成p296.。真核藻类的生殖结构简单，绝大多数的无性和有性生殖结构为单细胞，不具有由不育细胞构成的壁或其他结构，每个细胞均可产生生殖细胞。另，体具鞭毛，是真核藻类的运动器，鞭毛里面为纵排的动纤丝。通常在细胞的一端具有眼点，是光感受器，多为圆形或椭圆形，主要成分是胡萝卜素。2.1.2、繁殖真核藻类的繁殖方式有3种类型。一是营养繁殖，以细胞分裂，

6、或藻体断裂，或营养繁殖小枝、珠芽等进行繁殖；二是无性繁殖，产生各种无性孢子，直接萌发成新个体；三是有性生殖，为最普遍的繁殖方式，由两个配子结合，然后有丝分裂为新个体。2.1.3、生境与分布绝大多数真核藻类均生于水中，淡水、海水、咸水等，分布十分广泛。有浮游、附着、固着和底栖。也有的在潮湿的土表、高山积雪上，还可与细菌共生。2.2、分类真核藻类分类依据只要是藻体的形态结构，细胞壁的成分和结构光合器的结构和光合色素的种类，光合产物，鞭毛类型以及生活方式和生活史。2.2.1、绿藻和轮藻绿藻种类多分布广，形态结构、生殖方式和生活史及生境具有丰富的多样性。在型态结构上有单细胞、群体、丝状体、叶状体等，细

7、胞壁由纤维素构成，含叶绿素a,b。多数种类叶绿体中具有淀粉核。体具鞭毛。大部分生于淡水，少数在海水中。轮藻和绿藻基本特征相同，但藻体较大，生殖器官为多细胞结构，生殖方式均为卵式生殖，不产生孢子。轮藻分布于淡水中，少数在咸淡水中。绿藻主要种类是衣藻，为单细胞运动种类，卵球形有鞭毛，可进行无性和有性生殖。约有100多种，多生活于有机质丰富的淡水中，常可在小水坑中发现较纯群的衣藻，是常见的形成水华的种类。衣藻在现代分子生物学中具有重要地位，主要用于遗传转化和基因工程等研究。轮藻分布广泛，在淡水、淡咸水中都常见，稻田、沼泽、池塘和湖泊的水底中常有大片生长。轮藻个体大可做绿肥2.2.2、硅藻硅藻是淡水河

8、海水浮游植物的主要构成者之一。硅藻为单细胞或联结为群体，最突出特点是其细胞结构和繁殖方式。硅藻的细胞壁是由两个套合的硅质半片组成，细胞壁的另一特征是壳面具有辐射状或两侧对称排列的花纹。硅藻含有叶绿素a,c，还含有较多的墨角藻黄素、硅藻黄素等褐色素。色素体多成黄褐色，颗粒状、板状或块状。储藏的光合产物为油滴和金藻昆布糖。营养细胞不具鞭毛，繁殖方式主要是细胞分裂，还可进行有性孢子生殖。主要代表是直链藻、小环藻和舟形藻。2.2.4、褐藻和红藻褐藻是一群多细胞真核藻类植物。细胞具有纤维素和藻胶组成的细胞壁，含有叶绿素a,c，还含有较多的墨角藻黄素，色素体多呈褐色。光合产物主要是褐藻淀粉、甘露醇等。繁殖

9、方式分为营养繁殖、无性繁殖和有性繁殖3种类型。大多为孢子简述分裂，有世代交替现象，如马尾藻等。褐藻几乎全为海产，极少数淡水。多分布在寒带和南北极海中，我国沿海从北至南均有分布。多数固着在基质上生长，少数漂浮。垂直分布多生于低潮带和潮下带。代表种类是海带，具有重要的经济价值红藻绝大多数为多细胞体主要含叶绿素a,d，及藻胆素，色素体多呈红色。基本繁殖、生活特征和褐藻一致。具有经济价值，如紫菜。2.3、真核藻类的生态地位首先，真核藻类是水生生态系统中的主要初级生产者，为水生生态系统提供重要的物质基础和能量供应。其次，就是赤潮与水华，形成赤潮的物种有多种，包括原核藻类、真核藻类，还有少数原生动物、桡足

10、类和红色细菌等，但最主要的还是真核藻类。如中国沿海的赤潮多数为甲藻类和硅藻类，尤其是甲藻中的夜光藻和裸甲藻。赤潮的主要危害是造成水体严重缺氧和阻塞鱼鳃，还可产生毒素造成水质进一步恶化，引起水中动物大量死亡。水华和赤潮情况类似，主要是一些受到污染的淡水水体藻类（包括原核藻类和真核藻类）大量繁殖，并漂浮在水面形成一层有异味和有颜色的藻体浮沫。水华主要是原核藻类中的蓝藻，危害和赤潮相似。此外，藻类还可以用于水质监测和净化，因为不同的藻类对水质的要求不一样，如金门藻仅能生活在贫养和中养的清洁水体中，裸藻和衣藻生活于有机质丰富的富营养化水体中，另外如果水体中受到重金属和化学物质污染绝大多数藻类不能生存。

11、据此，用以水质的生物监测和富营养净化，如衣藻和小球藻已用于污水生物处理。二、水体藻类探测方法1、背景随着经济的发展，我们面临的环境压力越来越大，尤其是水体富营养化，大面积赤潮时有发生(2-3)，叶绿素 a 含量是表征浮游植物生理状态的一项重要指标；是反映水体富营养化水平的示踪器；通过对水体中叶绿素的立体监测，可反映出水体中浮游植物的时间、空间分布、蕴藏量及其变化规律，对水质环境状况进行评价，是水质监测的常规项目之一。2、主要方法2.1、分光光度法分光光度法是基于物质分子对光具有选择吸收的特性而建立起来的分析方法, 属于光度法的一种。分光光度法是比色法的发展, 比色法只限于在可见光区, 而分光光

12、度法则可以扩展到紫外光区和红外光区,该方法被广泛应用于物质特性研究和定量分析领域。大多数叶绿素含量的测定是通过分光光度计法得到的。叶绿素a的提取原理是利用有机溶剂渗透到细胞内, 使叶绿素溶于其中, 从而将叶绿素提取出来。常用的光合色素提取试剂有乙醇、丙酮、DMF等。其中，DNF效果最好(6)，但具有较强致癌性，对工作人员不利。原国家环境保护总局编制的水和废水监测分析方法、环境监测技术规范和湖泊富营养化调查规范均采用丙酮萃取分光光度法作为常规的监测方法，该法采用90% 丙酮为溶剂，通过反复研磨、萃取、离心和比色来提取测定叶绿素a。但是在分析实践中发现此法存在一些问题: 在反复研磨过程中叶绿素a

13、容易发生光降解; 提取转移过程操作繁琐，人为误差较大，易使测定结果偏低; 滤膜易溶于丙酮并粘附于研磨器上，增加研磨的难度和研磨转移的误差，影响到叶绿素a 的萃取效率; 丙酮挥发性极强，影响环境，不利于操作人员健康。所以，目前国际上已普遍采用了乙醇萃取分光光度法测定水体中叶绿素a 的含量。因为乙醇性质稳定，挥发性较丙酮弱，穿透性强，易于穿过浮游植物的细胞壁渗透到细胞中，对叶绿素的提取效率较高(8)。特别说明，就现有研究来看乙醇浓度最好在90%95%之间，于7580条件下效果最好（5）。使用仪器，方法步骤等不再赘述。2.2、显微镜计数法根据在显微镜下观察到的微生物数目来换算成单位体积内的微生物总数

14、目。一般与血球计数板配套使用，采用显微镜计数法检测水中的浮游藻类,水样量小、准确度高、变异系数小, 能较为全面地反映样品的种类分布情况, 且操作简单易行（7）。但微生物显微镜直接计数法随机性大,所以对菌体数量不能做出较为宏观,全面的反应。2.3、黑白瓶法根据浮游植物在光合作用时放出氧气的原理，计算单位时间单位体积样本中氧气的释放量。但是不能排除呼吸作用的影响，包括呼吸、光呼吸；不能排除其他微生物的影响；对大型水生植物适用性较差。此外，依据植物固定二氧化碳数量的C14标记法等。2.4、荧光法荧光的产生，当荧光物质受光照后, 该物质的分子吸收了和它特征频率相一致的光，处于基态最低振动能级的分子跃迁

15、到激发态的各个不同的振动和转动能级，然后再降落到基态。在这个过程中释放出能量产生荧光。叶绿素a是植物中在紫外光照射下唯一可发射出红色荧光的物质，据此可采用荧光法进行叶绿素a的定量分析，该法具有灵敏度高、选择性好的特点，而且具有简便快捷的特点，可以满足水和废水的生物监测方法要求(9)。目前，一般用丙酮作为叶绿素a的萃取剂，但丙酮具有毒性对操作人员不利，用95%乙醇替代丙酮作为萃取剂，用高温免研磨萃取替代研磨萃取，测定结果的相对偏差在可接受范围内; 同时对测定结果进行统计分析显示，乙醇法的测定结果与丙酮法无显著性差异，且乙醇免研法萃取效率有所提高，其测定结果均略高于丙酮法，说明乙醇免研法可以替代丙

16、酮法（5）。在正常情况下, 浮游植物细胞体内并不具有脱镁叶绿素, 但作为浮游动物的排泄物, 样本中存在一定量的脱镁叶绿素, 这种物质的荧光光谱与叶绿素的荧光光谱几乎完全相同。因此荧光法所测的数据实际上包含了脱镁叶绿素。要分离这二种物质各自对荧光的贡献, 须对样品作酸化处理。为避免其他色素光谱的干扰，现在也有采用同步荧光法对叶绿素a的荧光光谱进行测定（10-11）。后来的研究发现，将导数技术应用于荧光分析，特别是与同步或同能量荧光法结合，在解决荧光测定中的背景干扰和谱带重叠问题方面，可以起到极其有益的效果，更有利于避免散射干扰，减小光谱的重叠现象，提高测定的选择性和灵敏度，使结果更清晰、准确（1

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