膠被是一種廣泛存在于微生物以及一些植物和動物細胞周圍的結(jié)構(gòu)。藻類膠被不僅是藻細胞與周圍環(huán)境之間的物理屏障,對不利環(huán)境因素如紫外輻射、有毒化合物、干燥、浮游動物的捕食等具有防御作用,也為藻細胞周圍提供必要營養(yǎng)素和微量元素的微環(huán)境。此外,膠被參與細胞間相互作用、粘附和聚集等一系列過程,使得藻類形成了極強的生態(tài)競爭優(yōu)勢,從而形成水華。目前大量的研究專注于外在影響因子對膠被產(chǎn)量的影響,以及膠被對藻類群體形成的貢獻,而對于膠被作為藻類細胞與外界環(huán)境溝通的“橋梁”作用,尤其是在物質(zhì)傳遞方面,其作用機理尚未完全明晰。基于此背景,本論文選取16株具有不同膠被形態(tài)的藍藻和綠藻,歸納近10年藻類膠被提取方法,總結(jié)影響膠被提取效果的主要因素,優(yōu)化膠被提取方法,獲得有膠被/無膠被藻種并分析其特性;探討了膠被在藻類物質(zhì)傳遞中的影響,并施加不同的溫度脈沖條件,以深入了解膠被在溫度脅迫下的物質(zhì)傳遞響應(yīng)機理。主要研究結(jié)果歸納如下:(1)不同形態(tài)膠被提取方法優(yōu)化。對不同類型膠被(粘液、莢膜、鞘)藻種分別采用離心法、超聲法、陽離子交換樹脂法、熱水提取法、硫酸水浴法法、氫氧化鈉水浴法進行雙因素實驗和正交實驗。結(jié)果表明:溫和處理條件(離心法、陽離子交換樹脂法)對大部分藻種提取效果不明顯。膠被分泌可溶性多糖(RPS)到周圍環(huán)境,RPS可采用過濾法收集;粘液采用氫氧化鈉水浴法(0.01 mol/L NaOH,50-70℃,10-30 min)完全提取;莢膜采用硫酸水浴法(1 mol/L H_2SO_4,50-70℃,20-40 min)完全提取;鞘主要采用氫氧化鈉水浴法(0.01 mol/L NaOH,80℃,40 min)+超聲法(冰浴,20 KHz,≥30 W,工作3 s/間隙3 s,≥2 min)結(jié)合處理。(2)不同形態(tài)膠被的特性分析。藻類分泌產(chǎn)生的多糖和蛋白質(zhì)主要結(jié)合于藻細胞周圍膠被,少部分(50%)分泌到外界環(huán)境,單糖和氨基酸種類在不同層之間顯著差異,顯示出藻細胞膠被是非均勻的物質(zhì)。主成分分析結(jié)果顯示,脫氧糖自身的疏水性和所處多糖的位置差異會增加粘液的疏水特性。RPS酸性氨基酸(門冬氨酸、谷氨酸)比例大于粘液。粘液疏水性氨基酸(纈氨酸)比例大于RPS或相差不大,因此粘液比RPS疏水性強的差異來源是巖藻糖、鼠李糖、門冬氨酸、谷氨酸和纈氨酸。同一藻種,RPS或粘液的葡萄糖醛酸比例高于莢膜。粘液的親水性氨基酸(甘氨酸、蘇氨酸)比例高于莢膜,因此粘液比莢膜更易水化、親水性更強的差異來源為葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、甘氨酸和蘇氨酸。鞘的糖醛酸(葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸)比例低于莢膜,鞘的疏水性氨基酸比例較為穩(wěn)定,而莢膜藻種的疏水性氨基酸比例波動較大,因而莢膜比鞘更具粘附性,鞘具疏水性的原因在于葡萄糖醛酸及疏水性氨基酸。(3)膠被對藻細胞物質(zhì)吸收的作用。結(jié)果表明:膠被對營養(yǎng)物質(zhì)有一定程度的富集作用,莢膜和鞘與藻細胞結(jié)合,莢膜具有粘性,使得莢膜比鞘對營養(yǎng)物質(zhì)的富集效率更高,而粘液與藻細胞結(jié)合松散,且易水化到,導(dǎo)致對營養(yǎng)物質(zhì)的富集作用弱,導(dǎo)致不同膠被形態(tài)藻種對NH_4~+的吸收速率主要表現(xiàn)為莢膜鞘粘液。膠被的存在增加了藻細胞對NH_4~+的吸收和O_2的釋放,且不同形態(tài)的膠被對物質(zhì)通量的影響程度有一定差異。藻類膠被對NH_4~+通量的影響程度為鞘莢膜粘液;膠被對藻細胞O_2通量的影響程度莢膜鞘粘液。不同形態(tài)的膠被表面特性不同,影響物質(zhì)的擴散速率,并在一定程度上調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外營養(yǎng)元素的傳輸條件,加快了物質(zhì)的相互傳遞。(4)膠被受到溫度脈沖后對藻細胞物質(zhì)傳遞的作用。熱刺激下,藻細胞均由放氧變成耗氧,冷刺激下藻細胞放氧速率明顯增加,同一藻群體對溫度刺激的響應(yīng)時間相似,總體而言,響應(yīng)刺激時間莢膜藻種450 s粘液藻種300 s鞘層藻種200-300 s,去除膠被后的藻細胞對外界刺激的響應(yīng)時間大都縮短。表明膠被對外界溫度刺激產(chǎn)生了一定的緩沖作用且不同形態(tài)膠被所起緩沖作用不同。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：Q945
【部分圖文】：

典型藻種膠被特性及其對物質(zhì)傳遞的影響21.2膠被概述1.2.1膠被的定義膠被（surfacecoat）是一種廣泛存在于微生物以及一些植物和動物細胞周圍的結(jié)構(gòu)，其主要成分為多糖和蛋白質(zhì)。在過去的幾十年里，微生物和植物的膠被得到了越來越多的關(guān)注，但其術(shù)語經(jīng)常混淆，特別是藻類的膠被（圖1.1）（Bertocchietal.,1990），在許多文獻中其名稱并沒有嚴(yán)格區(qū)分。在已有的研究報道中，藻類的膠被稱為莢膜多糖capsularpolysaccharides（CPS）、結(jié)合型胞外聚合物boundextracellularpolymers（BEPS）、緊密型胞外聚合物tightextracellularpolymers（TEPS）、透明胞外聚合顆粒物transparentexopolymerparticles（TEP）、多糖polysaccharide（PS）等（Bennett,1963），其中，結(jié)合型胞外聚合物（BEPS）還可進一步分為松散結(jié)合型胞外聚合物looselyboundextracellularpolymers（LB-EPS）和緊密結(jié)合型胞外聚合物tightlyboundextracellularpolymers（TB-EPS）（Houetal.,2017）。除此之外，大部分藻類膠被可以分泌溶解性多糖物質(zhì)到外界水環(huán)境中，一般稱之為水解多糖releasedpolysaccharides（RPS）或可溶型胞外聚合物solubleextracellularpolymers（SEPS），因此有學(xué)者用胞外多糖或胞外聚合物（exopolysaccharide、extracellularpolymericsubstance、EPS）代表膠被及其分泌物。藻類形成群體有兩種機制：一是細胞黏附，單個細胞通過膠被聚集在一起形成群體；二是細胞分裂；細胞分裂過后保持黏附狀態(tài)，包裹在母細胞壁中（董靜和李根保,2016）。圖1.1藻類膠被示意圖Figure1.1Schematicdiagramofalgalsurfacecoat

第1章緒論31.2.2膠被的分類藻類膠被根據(jù)形態(tài)可分為鞘（sheath）、莢膜（capsule）、粘液（slime）（DePhilippisandVincenzini,1998）（圖1.2）。鞘層薄而均勻，在光學(xué)顯微鏡下觀察可見；莢膜是厚而有粘性的多糖層，用印度墨水染色后，通過光學(xué)顯微鏡觀察可見；最外一層為粘液，分散在細胞周圍，不能反應(yīng)細胞的形狀。可溶型胞外聚合物是指在細胞培養(yǎng)過程中，莢膜或粘液層以水溶型物質(zhì)的形式釋放到周圍培養(yǎng)基中的物質(zhì)，能引起培養(yǎng)基粘度的增加。許多學(xué)者僅在物質(zhì)層面上對膠被及其分泌物進行分析（Ahmedetal.,2014），但這忽略了藻類膠被自身的生物學(xué)功能，且膠被可能比RPS具有更多的生物活性（Geetal.,2014a）。圖1.2藻類膠被形態(tài)圖Figure1.2Morphologyofalgalsurfacecoat1.2.3主要成分不同藻種膠被的含量和成分不同。膠被主要由多糖、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)組成（Shengetal.,2010），其中，多糖沒有熒光特性，蛋白質(zhì)主要為類色氨酸和類酪氨酸，腐殖質(zhì)可能來源于死細胞和大分子有機物（Liuetal.,2017）。膠被及其分泌物均含有蛋白質(zhì)，但腐殖質(zhì)主要分布在可溶型胞外聚合物中（Xuetal.,2013）。結(jié)構(gòu)上，多糖由醇、醛、酮、醚、羧酸功能團組成，而蛋白質(zhì)，與胺、酰胺、羧酸功能團有關(guān)系（HarimawanandTing,2016）。多糖的存在加強了膠被的粘附強度，而蛋白質(zhì)的粘附效應(yīng)相對較差（HarimawanandTing,2016）。多糖含量一般高于蛋白質(zhì)，指數(shù)生長階段，有機質(zhì)主要分布在膠被中，在衰亡期急劇釋放到膠被外層和周圍環(huán)境中。Xu等（2013）發(fā)現(xiàn)膠被中類色氨酸物質(zhì)與微囊藻生長呈正相關(guān)關(guān)系，然而在水溶型膠被中，類色氨酸和類腐殖質(zhì)物質(zhì)與銅綠微囊藻生長有關(guān)，而Liu等（2017）發(fā)現(xiàn)在低N供給下刺激細胞分泌大量類酪氨酸物質(zhì)，且

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【參考文獻】

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