Journal of Phycology

Khối lượng sinh học của vi tảo thường được tính toán để đánh giá sự phong phú tương đối (dưới dạng khối lượng hoặc carbon) của các loại tảo cùng tồn tại với nhau, có hình dạng và/hoặc kích thước khác nhau. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có một tập hợp các phương trình tiêu chuẩn hóa cho việc tính toán khối lượng sinh học từ các kích thước đo được qua kính hiển vi, bao gồm toàn bộ phạm vi hình dạng của vi tảo. So với các phương pháp tự động, việc sử dụng các phép đo qua kính hiển vi cho phép độ phân loại cao, lên đến cấp độ loài, và có ít nguồn sai sót hơn. Chúng tôi trình bày một tập hợp các hình dạng hình học và các phương trình toán học để tính toán khối lượng sinh học của hơn 850 chi vi tảo biển và nước ngọt pelagic và benthic. Các phương trình được thiết kế nhằm giảm thiểu nỗ lực trong việc đo lường vi mô. Sự tương đồng và khác biệt giữa đề xuất tiêu chuẩn hóa của chúng tôi và các đề xuất đã được công bố trước đây sẽ được thảo luận và các khuyến nghị về tiêu chuẩn chất lượng sẽ được đưa ra.

Các nguyên tố nặng, tùy thuộc vào trạng thái oxi hóa của chúng, có thể phản ứng mạnh và do đó, độc hại cho hầu hết các sinh vật. Chúng được sản xuất từ một loạt các nguồn gốc nhân tạo đang mở rộng, cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của dạng ô nhiễm này. Tác động độc hại của các nguyên tố nặng dường như liên quan đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS) và tình trạng redox không cân bằng của tế bào. Tảo phản ứng với các nguyên tố nặng thông qua việc kích thích một số chất chống oxy hóa khác nhau, bao gồm các enzym đa dạng như superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase và ascorbate peroxidase, cũng như tổng hợp các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp như carotenoids và glutathione. Ở các mức độ ô nhiễm kim loại cao, hoặc cấp tính, tế bào tảo bị tổn thương do mức độ ROS vượt qua khả năng ứng phó của tế bào. Ở các mức độ thấp hơn, hoặc mãn tính, tảo tích lũy các nguyên tố nặng và có thể truyền chúng sang các sinh vật ở các bậc thức ăn khác như động vật nhuyễn thể, giáp xác và cá. Chúng tôi đánh giá ở đây các bằng chứng liên kết giữa sự tích lũy kim loại, độc tính tế bào và sự tạo ra ROS trong các môi trường thủy sinh.

Một đoạn gen ribosomal RNA lớn (LSU) từ các loài động vật đơn bào sống dưới biển Alexandrium tamarense (Lebour) Balech, A. catenella (Whedon et Kofoid) Balech, A. fundyense Balech, A. affine (Fukuyo et Inoue) Balech, A. minutum Halim, A. lusitanicum Balech, và A. andersoni Balech đã được clon hóa và phân đoạn để đánh giá các mối quan hệ trong và ngoài loài. Các mẫu nuôi cấy được khảo sát đến từ Bắc Mỹ, Tây Âu, Thái Lan, Nhật Bản, Úc và nước chở hàng trên một số tàu cargo, bao gồm cả các mẫu độc tố và không độc tố. Phân tích phân loại cho thấy có tám loại chuỗi gen chính, hay “ribotype”, cho thấy các dấu hiệu di truyền đặc hiệu cho cả loài và chủng. Năm ribotype đã phân chia các thành viên của cụm loài A. tamarense/catenella/fundyense (cụm “tamarensis”) nhưng không tương ứng với các phân loại hình thái. Ba ribotype còn lại liên quan đến các mẫu nuôi cấy khác biệt rõ ràng về mặt hình thái so với cụm tamarensis. Những chuỗi này được đặc trưng bởi 1) A. affine, 2) A. minutum và A. lusitanicum, và 3) A. andersoni. LSU rDNA từ A. minutum và A. lusitanicum không thể phân biệt. Khả năng sản xuất độc tố của một chủng, hoặc thiếu nó, nhất quán trong các loài cuối cùng trong cây phát sinh. Kết quả của nghiên cứu này hoàn toàn đồng nhất với các kết luận từ các nghiên cứu trước đây sử dụng phân tích độ dài mảnh cắt hạn chế của các gen rRNA nhỏ, nhưng các chuỗi LSU rDNA đã cung cấp độ phân giải loài và quần thể tinh tế hơn.

Chúng tôi đã phân tích nội dung tế bào của C, N, P, S, K, Mg, Ca, Sr, Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Cd, và Mo trong 15 loài phytoplankton eukaryotic biển trong môi trường nuôi cấy đại diện cho các ngành chính của sinh vật biển. Tất cả các sinh vật đều được nuôi trồng trong điều kiện môi trường giống nhau, trong một môi trường được thiết kế để cho phép tăng trưởng nhanh trong khi giảm thiểu sự lắng đọng của hydroxide sắt. Nồng độ tế bào của tất cả các kim loại, phốt pho và lưu huỳnh được xác định bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng với độ phân giải cao (HR-ICPMS) và nồng độ của carbon và nitrogen bằng bộ phân tích carbon hydro nitrogen. Độ chính xác của phương pháp HR-ICPMS đã được xác nhận bằng cách so sánh với dữ liệu thu được từ dấu vết phóng xạ ⁵⁵Fe và một chất mẫu tham chiếu từ phytoplankton. Nồng độ tế bào (chuẩn hóa theo P) của các kim loại vi lượng và các cation chính trong sinh khối thay đổi gấp khoảng 20 lần giữa các loài (trừ Cd, rất khác nhau với hai bậc khác nhau) so với các yếu tố 5 đến 10 cho các chất dinh dưỡng chính. Tảo xanh thường có nồng độ C, N, Fe, Zn, và Cu cao hơn và nồng độ S, K, Ca, Sr, Mn, Co, và Cd thấp hơn so với coccolithophore và diatom. Nồng độ Co và Cd cũng thấp hơn ở diatom so với coccolithophore. Mặc dù nồng độ các yếu tố vi lượng bị ảnh hưởng bởi nhiều điều kiện tăng trưởng, một sự so sánh kết quả của chúng tôi với dữ liệu đã công bố cho thấy rằng thành phần đo được chủ yếu phản ánh sinh lý học vi lượng được mã hóa di truyền của từng loài. Dữ liệu hiện trường đã công bố về thành phần của sinh khối plankton rơi vào khoảng giá trị trong phòng thí nghiệm và thường gần với công thức Redfield mở rộng ước lượng được đưa ra bởi định luật hóa học trung bình của các loài mô hình của chúng tôi (không bao gồm các phần cứng): image Mặc dù rõ ràng rằng tỷ lệ nguyên tố này thay đổi giữa các loài và, có thể, theo phản ứng với sự thay đổi trong hóa học của nước biển, nó cung cấp cơ sở để nghiên cứu cách mà phytoplankton ảnh hưởng đến sự phân bổ tương đối của tập hợp các nguyên tố chính và vi lượng trong đại dương.

Chất nhuộm huỳnh quang Calcofluor White M2R dễ dàng liên kết với cellulose và các glucan β‐liên kết khác (Hughs và McCully 1975). Chúng tôi đã phát hiện ra rằng chất nhuộm này cũng liên kết dễ dàng với các tấm thecal của động vật đơn bào có vỏ dinoflagellate. Cấu trúc của các tấm được tiết lộ khá chi tiết ở cả mẫu sống và mẫu bảo quản ở mức độ hiển vi ánh sáng. Kỹ thuật đơn giản và nhanh chóng này sẽ rất hữu ích cho việc lập bảng và nghiên cứu các tấm theca của dinoflagellate.

Hồ sơ lipid của bảy loài tảo vi sinh nhân chuẩn đơn bào eukaryote được nuôi trồng trong điều kiện kiểm soát đã được nghiên cứu với trọng tâm vào các hydrocarbon và axit béo như một phần trong hành trình tìm kiếm tảo sản xuất dầu. Các quần thể tảo màu xanh, phát triển chậm của Botryococcus braunii Kutz chứa hàm lượng lipid cao nhất là 45% dựa trên trọng lượng hữu cơ, với sự tăng lên 55% dưới điều kiện thiếu nitơ và không có ảnh hưởng của stress muối sodium chloride. Ankistrodesmus sp. Thomas, Dunaliella spp., Isochrysis sp., Nannochloris sp. Thomas, và Nitzschia sp. Chapman có hàm lượng lipid trung bình là 25% trong điều kiện đủ nitơ. Sự thiếu nitơ dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hàm lượng lipid ở tất cả các loài nhưng không ở Dunaliella spp., loài này sản xuất hàm lượng carbohydrate cao hơn. Các lượng hydrocarbon acyclic rất thấp chỉ được phát hiện ở Botryococcus braunii Kutz và không ở các tảo khác. Các phân đoạn hydrocarbon chính trong Botryococcus braunii Kutz thiếu nitơ, Dunaliella salina Thomas, Isochrysis spp. và Nannochloris sp. Thomas là các thành phần cyclo và nhánh đa không bão hòa được xác định là các dẫn xuất isoprenoid khác nhau. Thành phần lipid phân cực của glycolipid và phospholipid của tất cả các loài được nghiên cứu khá đặc trưng cho tảo eukaryote quang hợp. Thành phần axit béo mang tính đặc trưng theo loài, với những thay đổi về lượng tương đối của các axit riêng lẻ trong các tế bào được nuôi cấy dưới các điều kiện và giai đoạn phát triển khác nhau. Tất cả các loài đều tổng hợp axit béo C14:0, C16.0, C18:1, C18:2 và C18:3; C16:4 trong Ankistrodesmus sp. Thomas; C18:4 và C22:6 trong Isochrysis sp.; C16:2, C16:3 và C20:5 trong Nannochloris sp. Thomas; C16:2, C16:3 và C20:5 trong Nitzschia sp. Chapman. Thiếu nitơ và stress muối đã kích thích sự tích lũy C18:1 trong tất cả các loài được xử lý và ở mức độ thấp hơn trong Botryococcus braunii Kutz. Việc sản xuất hydrocarbon thấp ở điều kiện phát triển tối ưu và sản xuất hydrocarbon cao ở điều kiện phát triển hạn chế không thể ủng hộ quan điểm rằng tảo vi sinh có thể được sử dụng như là những bộ chuyển đổi năng lượng sinh học cho việc sản xuất nhiên liệu lỏng, nhưng chỉ ra sự đa dạng của các sản phẩm lipid trung tính và phân cực có sẵn.

Các yếu tố điều khiển sự phân bố của nguồn tài nguyên fitoplankton, thành phần loài và tình trạng sinh lý của chúng trong Đại dương phía Nam đã được tổng quan. Trong thập kỷ qua, các nguồn dữ liệu chính là các quan sát và thí nghiệm. Những dữ liệu này phối hợp lại cung cấp một khuôn khổ hiểu biết về các mẫu hình không gian và thời gian phức tạp của sự điều khiển môi trường trong các lưu vực và tỉnh sinh thái khác nhau. Dữ liệu quan sát từ viễn thám có độ phân giải cao đã giải quyết vấn đề về vị trí địa lý xa xôi. Hơn nữa, bằng cách khai thác sự khác biệt theo mùa và không gian trong sự phân bố của tảo, dữ liệu quan sát đã cho phép xác định sự tương quan giữa các xu hướng này với các mẫu hình trong các thuộc tính môi trường khác. Các thí nghiệm can thiệp đã cung cấp một hiểu biết cơ chế giúp giải thích dữ liệu quan sát bằng cách thay đổi các thuộc tính môi trường dưới các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ. Một bộ xu hướng nhất quán về các chế độ điều khiển môi trường đối với các quá trình fitoplankton hiện đang nổi lên qua các lưu vực và tỉnh khác nhau. Các yếu tố quyết định chính là ánh sáng, sắt và nguồn cung silic (kiểm soát từ trên xuống không được xem xét). Tuy nhiên, mối tương tác của chúng theo thời gian và không gian (tức là sự hạn chế đồng thời các quá trình fitoplankton) thì kém rõ ràng hơn, cần nghiên cứu thêm và đã được thảo luận. Những thách thức trong tương lai bao gồm nhu cầu hiểu rõ hơn về các chế độ điều khiển môi trường ảnh hưởng đến các nhóm chức năng tảo chính thông qua các nghiên cứu cụ thể về từng taxon và loài. Cần khởi xướng thêm nhiều thiết bị neo dài hạn với các cảm biến sinh học – quang học và lấy mẫu “thông minh” để xác định các phân bố theo mùa của các taxon tảo. Hơn nữa, các thí nghiệm can thiệp mới là cần thiết để điều tra ảnh hưởng đến các quá trình fitoplankton của sự thay đổi độ sâu lớp trộn và nguồn dinh dưỡng do khí hậu trung gian tác động như được dự đoán qua các mô hình.

Phương pháp đa phương được sử dụng để đặc trưng cho tảo xanh đơn bào mà trước đây thường được xếp vào chi Chlorella Beijerinck và để giải quyết mối quan hệ phát sinh loài của chúng trong lớp Chlorophyta. Các đặc điểm sinh hóa, sinh lý và cấu trúc siêu vi, cùng với dữ liệu phân tử như thành phần DNA và giá trị lai DNA, đã được so sánh với một phát sinh loài phân tử dựa trên chuỗi hoàn chỉnh 18S rRNA. Kết quả của chúng tôi cho thấy các loài Chlorella phân tán trong hai lớp của tảo xanh, đó là Trebouxiophyceae và Chlorophyceae. Chúng tôi đề xuất rằng chỉ bốn loài nên được giữ lại trong chi Chlorella (Chlorophyta, Trebouxiophyceae): C. vulgaris Beijerinck, C. lobophora Andreyeva, C. sorokiniana Shih. et Krauss, và C. kessleri Fott et Nováková. Các đặc điểm chung của những loài này là glucosamine là thành phần chính của vách tế bào và sự hiện diện của thylakoid đôi phân chia ma trận pyrenoid. Norspermine, norspermidine và carotenoid thứ cấp không bao giờ được sản xuất. Các loài “Chlorella” khác thuộc về các chi khác nhau trong lớp Trebouxiophyceae (“C.” protothecoides=Auxenochlorella protothecoides[Krüger] Kalina et Punčochářová, “C.” ellipsoidea, “C.” mirabilis, “C.” saccharophila, và “C.” luteoviridis) và Chlorophyceae (“C.” zofingiensis và “C.” homosphaera=Mychonastes homosphaera Kalina et Punčochářová). Các chi sau có thể dễ dàng được nhận diện qua sự sản xuất carotenoid thứ cấp trong điều kiện thiếu nitơ.