蓝细菌

引言

蓝细菌是一种关键的光合微生物，能够进行产氧光合作用。

它们通过分解水分子释放氧气，因为它们产生氧气并以水为电子来源。它们固氮的能力尤其重要，因为它将大气中的氮转化为其他生物可以利用的形式，从而为生态系统中的营养循环做出贡献。

蓝细菌的分类

• 蓝细菌属于原菌界。
• 它们被归类于真细菌门。
• 这些生物的纲是蓝细菌纲。
• 一些例子包括念珠藻（Nostoc）、颤藻（Oscillatoria）和螺旋藻（Spirulina）。
• 其他例子有沟藻（Lyngbya）、满江红（Azolla）、鱼腥藻（Anabaena）和团藻（Gleotrichia）。

被称为蓝细菌的水生生物利用叶绿体进行光合作用。尽管它们与细菌无关，但它们具有一个与真核藻类共有的特征：叶绿体。某些蓝细菌具有内共生体的作用，但大多数是自由生活的。在本材料中，我们将探讨导致蓝细菌起源的发现，以及这些生物的特征、种类、栖息地、结构和繁殖过程。我们还将讨论蓝细菌对环境的重要性以及不利影响。

历史

蓝细菌是第一个被发现化石的藻类，可追溯到35亿年前。这一组被称为“叠层石”的化石，在蓝细菌的早期进化中起到了至关重要的作用。它们是第一个通过光合作用在周围环境中制造氧气的生命体。

蓝细菌是第一个同时使用光系统I和II的原核生物。起初，它们被认为与藻类有关，并被归类为粘菌纲。然而，在对其特征和结构进行更多研究后，它们被重新归类为裂殖菌纲（现称为蓝细菌）中的细菌类。

特性

蓝细菌是革兰氏阴性、原核细菌。它们可以通过光合作用制造食物，并且是好氧的。它们的体型从一到十微米不等。它们缺乏膜结合的细胞器，并且具有简单的细胞核。在蓝细菌中，主要的色素是藻蓝蛋白、藻红蛋白和叶绿素。

它们因叶绿素而呈现绿色，因藻蓝蛋白而呈现蓝色，因藻红蛋白而呈现红色。蓝细菌（也称为蓝绿藻）同时含有藻蓝蛋白和叶绿素a。光系统I包含叶绿素，而光系统II与藻蓝蛋白相关。除了进行产氧光合作用外，它们还可以固定大气氮。蓝藻淀粉是它们储存的食物。

栖息地

这些生物，凭借其广泛的遗传多样性，可以在多种环境中找到，从淡水和海水到潮湿地区、湿润的土壤，甚至温泉。它们对如此多样环境的适应能力证明了它们的韧性和进化上的成功。

类型

根据细胞结构，蓝细菌可分为三类。

1. 单细胞：这些生物是单细胞的，通常周围有粘液鞘。例如鸟巢藻（Chroococcus sp.）。
2. 群体：这些是由多个细胞组成的群体。例如胶胞藻（Gleocapsa sp.）。
3. 丝状：这些蓝细菌排列成链状，并且也覆盖有粘液鞘。它们具有特殊的结构，如
   • 异形胞：这些有助于固氮。
   • 休眠孢子：这些作为营养储存。

例如念珠藻（Nostoc sp.）和颤藻（Oscillatoria sp.）。

结构

蓝细菌的结构包括

鞘

这个成分作为蓝细菌的保护层。其特点是具有粘液性、起伏性和吸湿性，这些性质会根据环境条件而变化。鞘含有果胶物质，在显微镜下观察时呈纤维状。

功能：鞘保护细胞免受不利条件的影响，并有助于保持水分水平。

细胞壁

细胞壁位于鞘和质膜之间。它包含有助于粘液分泌的孔。细胞壁由四层（L-I、L-II、L-III和L-IV）组成，通过胞间连丝连接。

L-I：最内层，电子透明，厚度为3-10纳米。

L-II：一层薄的、电子致密的层，由粘肽、胞壁酸、丙氨酸、氨基葡糖、谷氨酸和二氨基庚二酸组成，主要为营养细胞提供形状和机械强度。

L-III：这一层是电子透明的，厚度从3到100纳米不等。

L-IV：细胞壁的最外层，电子致密，外观呈皱纹状。

质膜

该结构是双层膜，通常称为“质膜”。该膜厚70Å，具有选择渗透性，在维持细胞结构完整性方面起着至关重要的作用。当类囊体通过质膜内陷融合时形成类囊体，从而有效地包围细胞质和各种细胞成分。

细胞质

细胞质分为两个不同的区域。

1. 色质体：该区域包含称为类囊体的囊泡结构，它们能够进行光合磷酸化。
2. 中央质体：这个无色的区域被认为是一个原始的细胞核，缺乏核膜和核仁，并包含一些颗粒状结构。

细胞质内含物由多个成分组成，详情如下

• 蓝藻颗粒：这些作为氮储备，由等量的精氨酸和天冬氨酸组成，约占细胞总重量的8%。
• 气泡：这些是空心的、细长的结构，直径为75纳米，长度在200到1000纳米之间。它们被2纳米厚的蛋白质层包裹，边缘呈圆锥形。
• 羧酶体：这些多面体结构包含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶。
• 磷酸体：称为伏尔丁颗粒，这些内含物储存磷酸盐。
• 藻胆体：这些球形结构是由藻胆蛋白聚集而成，并附着在类囊体的外表面。
• DNA基质：细胞质中分散有裸露的DNA纤维，缺乏核质。DNA碱基组成不同，蓝细菌拥有共价闭合的、非功能性的、环状的质粒DNA。

特殊结构

蓝细菌具有一种称为异形胞的特殊结构。异形胞是改变的营养细胞，其形成受其环境中氮水平的影响。这些细胞的特征是淡黄色和尺寸略微增加。异形胞可以单独形成或成串形成，并且可以位于菌丝的末端或中间。

它们的主要功能是促进固氮，这是一个复杂的生化过程，涉及在厌氧条件下将大气氮（N2）转化为氨（NH3）。这个过程对生态系统的氮循环至关重要。异形胞主要存在于丝状蓝细菌中，例如念珠藻属和颤藻属。

异形胞的功能

• 促进固氮（N2转化为NH3）
• 有助于营养繁殖
• 分泌促进菌体生长和细胞分裂的酶。

繁殖

蓝细菌通过营养繁殖和无性繁殖进行繁殖。

营养繁殖

这个过程包括几种方法

• 二分裂：在这种方法中，细胞之间出现收缩，导致细胞增大和染色体物质的交换。最终，这会形成两个相同的子细胞。
• 断裂：在不利条件下，菌体会断裂，通过断裂形成新的菌体。
• 分隔盘的形成：有时，细胞之间会形成一种胶状物质，充当分隔盘。这个盘将细胞分开，然后细胞会生成新的营养细胞。
• 小片：小片是蓝细菌细胞内存在的短片段（5-10个细胞）。这些片段在不利条件下脱落，滑动 away，并最终发育成新的丝状结构。

无性生殖

它包含以下方法

• 厚壁孢子：在恶劣条件下，细胞会分解并将激素释放到环境中。当环境改善时，这些孢子可以发育成新的生物。
• 休眠孢子：在严峻的环境中，会形成休眠孢子。它们的外壁更厚，尺寸比普通细胞更大。一旦收集了足够的营养，它们就会从营养细胞中分离出来，进入休眠期。一旦环境再次变得有利，它们就可以转化为新的物种。
• 异形胞：在严峻的环境中也可以形成异形胞。随着气候的改善，它们可以从一端或两端增殖成新的菌丝。
• 内生孢子：内生孢子存在于细胞内。在不利条件下，当细胞破裂时，它们会被释放出来。当条件再次满足时，这些孢子可以萌发成新个体。
• 外生孢子：外生孢子存在于细胞外。在困难条件下释放到生态系统中，当环境改善时，它们可以发育成新的生物。

经济意义

• 蓝细菌提高土壤肥力。
• 它们有助于阻止土壤侵蚀。
• 蓝细菌有助于美国（USAR）的土壤改良过程。
• 蓝细菌产生的天然酸会降低土壤的碱度。
• 一种可食用的蓝细菌，生产单细胞蛋白，是螺旋藻（SCP）。
• 蓝细菌为土壤提供有机物质。
• 使用沟藻提取物生产抗生素。
• 污染指示剂包括颤藻（Oscillotoria）等蓝细菌。
• 某些蓝细菌与真菌和原生动物共生。

负面后果

当水中蓝细菌过多时，会发生水华。这可能导致氧气水平下降，可能导致鱼类和其他水生生物死亡。此外，蓝细菌会释放出粘稠、气味难闻的物质，会降低水质。尽管蓝细菌在生物学和生态学中起着至关重要的作用，但它们也可能产生有害影响。

结论

蓝细菌是重要的光合微生物，在产氧和固氮方面发挥着重要作用，造福各种生态系统。然而，过度生长可能对环境产生负面影响，包括水生系统中的氧气消耗和水质下降。