1 微 藻 细 胞
1.1 微藻在应用藻类学中是什么意思？
藻类学家把任何含有叶绿素 A并且单个叶状体不能被分成根、茎、叶的有机体定义
为藻类（ Lee, 1989）。即使蓝细菌是原核生物，它们也被列入这个范畴。因此，严格意义
上讲，在应用藻类学中微藻这一术语指的是显微藻类。产氧光合细菌，例如蓝细菌，之
前则被列为蓝藻纲（CyAnophyceAe）。
这两个光合自养微生物群体吸引人之处在于它们潜在的利用价值，就像使用异养微
生物的方式，它们可转化太阳能生产生物量作为食物、饲料和很好的化学品。应用藻类
学的源头可以追溯到 Beijerinck建立的小球藻（ ChlorellA）培养（ 1890）。如今，在商业
化使用这些微生物过程中，小球藻占据着最重要的地位。
微藻遍及世界各地。它们主要分布在水生环境中，各种土壤表面也有微藻存在。尽
管微藻一般是独立生长，但仍有一定数量的微藻与其他各种微生物共生。
1.2
微藻结构和形态学特征
1.2.1
显微观察：观察新鲜样本；制作固定玻片
观察新鲜材料可以直接用一滴液体样本，或者用蒸馏水或生理盐水处理的固体样本。
由于细胞存在能动性，样品中应该加入一种弱酸，如醋酸。沉淀、离心或过滤的方法可用
于集中活体材料或保藏材料。为了尽量减少收集到的样品成分变化，使用甲醛、卢戈氏液
和戊二醛固定时应迅速进行，或将样品存放在完全低温、黑暗处以确保较低的活动率。
制作固定玻片很简单，把细胞悬浮液放到盖玻片上并且用温火干燥，然后把样品倒
置在涂有一定折射率介质的载玻片上即可。加拿大人巴尔桑经常使用这种方法（Reid,1978）。有时除去细胞中的自由水需要脱水操作，一般通过使用一系列浓度递增的
乙醇来进行。染色技术用于区别一些特殊特征，如荚膜和具体的细胞器（ClArk，1973）。
最后用一种透明的指甲油把含有样品的盖玻片与载玻片密封起来。
1.2.2 细胞组织类型：单细胞有鞭毛、单细胞无鞭毛（能动，不能动）；群体能动、群体不能动；丝状（不分支，分支）
微藻细胞组织可能有不同的类型：单细胞的、群体的和丝状的。大部分单细胞蓝藻是不能自由运动的，但滑动和泳动（swimming motility）是可能发生的。内生孢子即细胞通过母细胞的复分裂增殖，可能引起滑动。虽然没有发现鞭毛，但泳动仍发生于一种聚球藻属（Synechococcus）中。单细胞藻类可能会运动也可能不会运动。在能动形式中，动力本质上是由于鞭毛的存在。通过分泌黏液来运动是非常不同寻常的。配子和游动孢子一般有鞭毛和能动性。一些羽状硅藻类有一种滑动能力，就像紫球藻属（Porphyridium）中的红藻和一小部分绿藻。
蓝藻群体细胞组织是不具能动性的群体（如蓝绿藻， GloeocApsA）。在微藻中具有能动鞭毛的细胞聚集起来形成能动群体（如团藻，Volvox），或者是非能动群体（如胶囊藻， Gloeocystis）。在群体中无能动性的细胞可以以一定的数量组成固定形态（如栅藻属， Scenedesmus），或者以不固定的细胞数量组成不固定形态（如盘星藻属，PediAstrum）。许多丝状蓝藻细菌经常伴随着旋转和蠕动而滑行（如颤藻属，OscillAtoriA），但其他的可能具有运动型的菌殖段（如念珠藻属，Nostoc）。丝状微藻无论分支或不分支都不能运动，游动孢子和配子除外。管状组织和薄壁组织主要存在于大型藻类中。
1.2.3 细胞组织：原核的；真核的：单核的、多核的
原核蓝细菌和原核绿藻的 DNA没有染色体形式，它和光合作用膜一起自由分布在细胞质中，并且不被膜组织包裹。此外，原核生物拥有不被膜包裹的细胞器（图 1.1）。真核藻类具有真正膜包围的细胞核，细胞核包含分布在染色体上的绝大部分基因和核仁。它们把细胞质分割成不同的区间且有膜包裹的功能不同的细胞器（高尔基体、线粒体、内质网、液泡、中心体和质粒）（图 1.2）。许多微藻是单核的，而多核细胞组织常常有一个外周细胞核和叶绿体，它们是最重要的质体。
图 1.1 电子显微镜下的聚球藻单细胞纵切面图。cw-细胞壁，t-类囊体，cs-羧基体，n-拟核，比例 =0.5μm（M.R.PAlAndri）
图 1.2 电子显微镜下小球藻单细胞纵切面图。cw-细胞壁，ch-杯型叶绿体，t-类囊体，st-淀粉粒， n-细胞核，nl-核仁，m-线粒体。比例=1μm（M.A.FAvAli）
1.2.4 菌落特征：有序（如网状）或随机；形状与形成
菌落组织有不同形状：扁平、球状、立方体、四集藻型、树枝状、鞭索状，以及非鞭索状。这些细胞无定形地保持在一起（如微囊藻属，Microcystis）或通过多糖纤维包裹在一起（如黏杆藻属，Gloeothece）。在菌落内部，细胞可能规则或不规则地排列在黏质物中
（如微囊藻）。规则的菌落（如盘星藻属）和不规则的菌落（如胶群藻属，PAlmellA）在微藻中都有。此外，固定菌落（如空星藻属，CoelAstrum）和有鞭毛细胞组成的运动菌落嵌入到同一个黏质物中是很常见的（如盘藻属，Gonium）。多糖包围物可能是无定形的，或者有一层微纤维结构；根据它的稠度可以分为：鞘、包被、荚膜或黏膜。蓝细菌的鞘可能含有功能色素用来吸收太阳光的复合物（ GArciA-PicheletAl，1992）,或者含有吸收紫外光谱 A\B的物质（Ehling-Schulz et Al, 1997）。在许多菌种中荚膜和黏膜尤为丰富。
1.2.5 形态学适应性改变：特殊细胞结构（孢子、异型囊包、连锁体）、菌毛、鞭毛、光屏蔽和漂浮结构
特殊细胞结构如厚壁孢子、异型囊胞、连锁体和菌毛或纤毛存在于许多蓝细菌中。厚壁孢子或芽孢是有很厚细胞壁的细胞，并有颗粒状内含物，由营养细胞在恶劣的条件下形成，并在适合生长条件恢复时才发芽。异型囊胞是发生固氮作用的独特细胞。它们有厚的细胞壁和稀疏的细胞质，具有含藻青素的两个极地结节特征。连锁体为短毛状片段，或丝状蓝藻的发展阶段。它们通常能滑移运动，具有小单元结构或称为气囊泡。气囊泡是特殊的亚细胞结构包涵体，在光学显微镜下光折射率很高。它们都是由细长且两端尖的气体泡组成，起光屏蔽或浮力作用。菌毛或纤毛是从细胞壁伸出的非鞭毛蛋白性质的附属物。
芽孢和鞭毛在微藻中也有发生。芽孢或称休眠体有很厚的壁，和厚壁孢子一样在条件恶劣的时候形成。布朗葡萄藻（Botryococcus brAunii）的静止细胞在细胞壁上积聚，碳氢化合物多达其干重的 70%（Knight et Al,1970）。鞭毛是一个复杂的运动器官，包含一个由九根次级双层微观围绕两根中心微管组成的鞭毛轴丝；整个结构被质膜包围。鞭毛或光滑或粗糙，并通过基体嵌入到细胞质外层。
1.3 超微结构和细胞分裂
1.3.1 原核生物
1.3.1.1 细胞壁
蓝藻和原核绿藻（ Prochlorophytes）有四层细胞壁，呈革兰氏阴性：包括一层胞壁质层（肽聚糖），最外层是脂多糖层。由于缺乏纤维素，蓝藻的可消化性很高，这点不像其他大多数海藻，这促进了人类对它们的需求，如健康食物螺旋藻。黏质性物质可以包裹在细胞壁外面（如鞘、蛋白质复合物、荚膜或黏膜）。细胞壁可能有小孔穿洞，也可能有纤毛和菌毛等附属物。
1.3.1.2
质膜
在细胞壁下面有质膜，或称细胞膜。它是一层很薄的膜，约 8nm厚。
1.3.1.3
类囊体排列
在蓝藻细胞中类囊体（thylAkoids）是最明显的膜系统，它们自由存在于细胞质中并包含光合作用器官。类囊体呈扁平囊状显示藻胆体（phycobilisome），以间隔排列形式吸附在原生质膜表面。藻胆体包含广泛用于荧光鉴定的藻胆蛋白（GlAzer, 1999），来自节旋藻属的藻青蛋白作为天然色素已经商业化。类囊体可排列成同心束、平行束、分散型等，它们在黏球藻属（GloeobActer）中并不存在，黏球藻属中仅有一些周边的藻胆体。原核绿藻不含藻胆体，但有一个堆积类囊体的巨大膜系统。
1.3.1.4 细胞内含物
蓝藻最常见的内含物有：糖原颗粒、蓝藻蛋白、羧基体、多磷酸盐颗粒、脂滴、气泡和核糖体。糖原颗粒（α-1,4-葡聚糖）位于类囊体之间并且代表着物质的积累，如蓝藻颗粒体、精氨酸和天冬氨酸多聚体。羧基体包含核酮糖 1,5-二磷酸羧化酶，存在于细胞质中央。聚羟基丁酸盐颗粒作为空洞出现，代表不同寻常的包涵体和自然生物降解热塑性聚合物的潜在来源（Suzuki et Al,1996）。核糖体分布在细胞质各处。在浮游生物中还存在气泡。
1.3.1.5 细胞分裂
细胞分裂可能通过二分裂、细胞壁内陷，或未经外膜参与的细胞膜和肽聚糖层内陷收缩。细胞分裂也可能通过复分裂发生并形成内生孢子。这是一种非常特别的分裂方式，与芽殖相似，发生在管孢藻属（ChAmAesiphon）中。蓝藻也可通过菌丝片段（藻殖段）繁殖。此外，一些丝状属产生厚壁孢子。虽然蓝藻中没有明显的有性繁殖，但通过转化或接合作用使其基因重组可能使有性繁殖发生。
1.3.2 真核类生物
1.3.2.1 细胞壁、外包物
由纤维素组成的微纤层，被一层无定形层包围，它们通常组成真核微藻的细胞壁。细胞壁是由高尔基体分泌形成。它们可以被硅化或钙化，并可通过形成板屑和磷屑而加强。有些种类是无细胞壁而裸露的。外层无定形层外部是一层多糖类物质，可作外层细胞壁的自然特性，支持多糖类物质的产生，来自不同微藻和来自紫球藻的细胞壁一样都有这种功能（ArAd,1999）。
1.3.2.2 质膜、周质体、菌膜
质膜是围绕细胞膜的很薄的单位膜。隐藻门（ChryptophytA）没有细胞壁，但覆盖在细胞质外面有一层壁称为周质体。在裸藻门（EuglenophytA）中蛋白性质的覆盖物称为菌膜。
1.3.2.3 细胞质、细胞核、细胞器
细胞质中包含有细胞核、各种细胞器、质膜内陷形成的小室和内质网。细胞器有：叶绿体、高尔基体、内质网、核糖体、线粒体、液泡、收缩泡、质体、脂滴、鞭毛和微管。叶绿体和细胞质脂质是不饱和脂肪酸的重要来源，如 EPA、DHA、ARA（Pohl，1982）。细胞核由双层核膜包裹，它包含核仁和分布在染色体上的若干 DNA分子，并进行有丝分裂。
1.3.2.4 叶绿体
叶绿体包含一系列含有叶绿素 A的扁平状囊泡或类囊体，其周围是基质和间质。红藻门（RhodophytA）中类囊体包含的藻胆蛋白在藻胆体中，然而在隐藻门中藻胆蛋白则分散在类囊体中。类囊体可自由存在或成群排列。淀粉粒产生于叶绿体内。在许多能动形式中有脂质小球组成的橘红色眼点或斑点。叶绿体由双层膜包裹；在一些藻类中除此之外还有一层或两层的内质网存在。
1.3.2.5 细胞分裂和繁殖
细胞分裂的营养体繁殖在藻类中普遍存在，且在许多菌种中细胞和菌落大小的增长都与此有关。其他种类的无性繁殖通过菌丝片段和通过产生孢子发生，若有鞭毛称游动孢子，若无鞭毛称静孢子或休眠孢子。许多藻类也能产生像静孢子一样缺乏运动性发育能力的似亲孢子。
虽然有性繁殖发生在大部分物种生活史中，但它不是藻类的普遍特征。有性繁殖涉及配子结合，配子常常有不同形态和大小，来自同一物种的两个亲本（往往有同配生殖，异配生殖或卵式生殖）。五种生活史的图解类型是可辨别的：1大部分双倍体生活史伴随着减数分裂发生在配子形成之前（生命周期的单倍体阶段）；2大部分单倍体生活史伴随着减数分裂发生在结合子发育之前（结合子只在生命周期的双倍体阶段）；3世代的同型交替（单倍体配子植物产生配子与二倍体孢子植物产生孢子之间的交替）；4世代的异型交替（小的单倍体植物产生配子与大的双倍体植物产生孢子之间的交替，或者是大的单倍体植物与小的双倍体植物之间的交换）；5三相生命周期，在红藻中，包含单倍体配子体，双倍体子实体和双倍体四分孢子体。
1.4 细胞生长和发育
1.4.1
细胞生长
生长定义为“活的生物量的增加”，通常单细胞生物用细胞数量来衡量，多细胞生物用细胞总质量来衡量。衡量细胞数量改变或细胞结合时间改变的最为广泛使用的参数即为增长率。本书第 4章将详细介绍细胞生长。
1.4.2
细胞周期
在单细胞微藻中细胞大小通常称双打，随后分裂成两个子细胞，然后增加细胞尺寸。真核藻类的细胞周期包含两个阶段：有丝分裂阶段和分裂间期。间期细胞的生长和所有细胞成分的大量增加使每个子细胞会获得一份复制的 DNA分子和足够的细胞器及其他组分。核分裂在有丝分裂阶段产生。
1.4.3
细胞衰退
微生物生长受若干化学和物理条件的影响。当底物浓度或其他因素受限，或有毒代谢产物积累时，生长速率就会下降。在这个生长阶段常常产生次级代谢产物。只要有用于消耗的贮存物质存在，器官仍然可以运行。当用于细胞补给的能量不再产生时，细胞就会衰退最后死亡。在有些情况下，这一过程伴随着少量孢子或类似结构的产生，这样就可以存活或克服不良条件，当有利条件恢复时再生长成新的个体。
1.5 微藻系统分类学
1.5.1 分类原则
传统上根据藻类的颜色分类，并且这一特性仍然具有一定的重要性。当前藻类分类
展开
