硅藻

硅藻門（Bacillariophyta）有100,000多種，可分為2綱。

中心硅藻綱（Centricae）圓形，輻射對稱，殼面上的花紋自中央一點向四周呈輻射狀排列，海產十分之多。

小環藻屬（Cyllotella） 屬中心硅藻綱圓篩藻目。植物體單細胞，有些種以殼面互相連接成帶狀羣體。細胞圓盤形或彭形。殼面圓形，少數種橢圓形，邊緣部有輻射狀排列的線紋和孔紋，中央平滑或具顆粒。帶面平滑沒有間生帶。載色體多個，小盤狀。以細胞分裂進行繁殖，每個細胞產生一個復大孢子

羽紋硅藻綱（Pennatae）長形或舟形，花紋排列成兩側對稱，表面有線紋、肋紋、縱裂縫（殼縫），殼面中央呈加厚狀，稱中央節，在兩端稱端節。

羽紋藻屬(Pinnularia)屬於羽紋硅藻綱雙殼縫目。植物體單細胞或連接成絲狀羣體，殼面線狀、橢圓形至披針形，兩側平行，極少數種兩側中部膨大、或成對稱的波狀。殼面兩側具橫的平行的肋紋，中軸區寬。色素體兩塊，片狀，常各具1蛋白核。

常見的硅藻還有圓篩藻屬（Coscinodiscus）、舟形藻屬(Navicula)等。 ^[1] 

植物體單細胞，或由細胞彼此連接成鏈狀、帶狀、叢狀、放射狀的羣體，浮游或着生，着生種類常具膠質柄或者包被在膠質團或膠質管中。細胞壁是由2個套合的半片組成，稱半片為瓣。硅藻的半片稱上殼（epitheca）（在外）、下殼(hypotheca)（在內），上下殼均有一凸起的面稱殼面（valve）。側面或殼邊是兩個瓣套合的地方，環繞1周稱環帶（girdle band）。上殼和下殼都是有果膠質和硅質組成的，沒有纖維素。載色體1至多數，小盤狀、片狀。色素主要有葉綠素a、c，β-胡蘿蔔素、α-胡蘿蔔素和葉黃素。葉黃素類中主要含有墨角藻黃素，其次是硅藻黃素（diatoxanthin）和硅甲黃素（diadinoxanthin）。藻體呈橙黃色、黃褐色。同化產物為金藻昆布糖和油。細胞核1個。營養體無鞭毛。精子具鞭毛，為茸鞭型。 ^[1] 

硅藻在食物鏈中屬於生產者。硅藻的一個主要特點是硅藻細胞外覆硅質（主要是二氧化硅）的細胞壁。硅質細胞壁紋理和形態各異，但多呈對稱排列。這種排列方式可作為分類命名的依據。

硅藻是一類最重要的浮游植物，分佈極其廣泛，不管是海洋、淡水、汽水、泥土及潮濕的表面上均可發現。大部分生活在開闊的遠洋水域，當然也有的像膜一樣生活在海底砂礫上，更有能在僅僅是潮濕的大氣中存活的種類。硅藻的一些種甚至會布在2公里的高空。。在世界大洋中，只要有水的地方，一般都有硅藻的蹤跡，尤其是在温帶和熱帶海區。因為硅藻種類多、數量大，因而被稱為海洋的“草原”。 ^[1] 

上下相連帶總稱為殼環，這個面稱殼環面。有些種類，如根管藻（Rhizosolenia），在殼環面細胞壁上還有很多次級相連帶，或稱間板。細胞質和一般植物細胞相似。生殖方法有有性生殖和營養生殖（主要繁殖方式）。

為硅藻最普通的一種生殖方式。分裂初期，細胞的原生質略增大，然後核分裂，色素體等原生質體也一分為二，母細胞的上、下殼分開，新形成的兩個細胞各自再形成新的下殼，這樣形成的兩個新細胞中，一個與母細胞大小相等，一個則比母細胞小。這樣連續分裂的結果，個體將越來越小。這在自然界和室內培養的硅藻可見到。

硅藻細胞經多次分裂後，個體逐漸縮小，到一個限度，這種小細胞不再分裂，而產生一種孢子，以恢復原來的大小，這種孢子稱為復大孢子。復大孢子的形成方式有無性和有性兩種。

（1）無性方式 是由營養細胞直接膨大而成，如中心綱的變異直鏈藻（Melosira varians）。

（2）有性方式 通過接合作用，藉助運動或分泌膠質使個體接近，然後包圍於共同膠質膜內，進行接合。

多見於中心硅藻的一種生殖方式，細胞核和原生質多次分裂，形成8、16、32、64、128個不等小孢子，每個小孢子具1-4條鞭毛，長成後成羣逸出，相互結合為合子，每個合子再萌發成新個體。

是沿海種類在多變的環境中的一種適應方式。休眠孢子的產生常在細胞分裂後，原生質收縮到中央，然後產生厚壁，並在上、下殼分泌很多突起和各種棘刺。當環境有利時，休眠孢子以萌芽方式恢復原有形態和大小 ^[1]  。

硅藻研究人員選取了2種福建九龍江口紅樹林區典型多環芳烴，進行多環芳烴對優勢藻的毒性效應研究。所選藻種為浮游藻中肋骨條藻和附着藻菱形藻，經分離、純化和培養，所用的典型多環芳烴為菲和熒蒽。結果表明：丙酮對兩種藻的不可見效應濃度值均為0.3%(v/v)，菲對中肋骨條藻和菱形藻急性毒性試驗的72 h半數生長抑制濃度(72-EC50)分別為0.95 mg/L和0.32 mg/L，而熒蒽對中肋骨條藻和菱形藻的72-EC50分別為0.17 mg/L和0.09 mg/L。中肋骨條藻對菲和熒蒽的耐受性比菱形藻強，菲對中肋骨條藻和菱形藻的毒性比熒蒽弱。 ^[1] 

赤潮：海洋環境如果受到富營養污染或其它原因，常使某些硅藻如骨條藻、菱形藻、盒形藻、角毛藻、根管藻、海鏈藻等生殖過盛，形成赤潮，使水質惡劣，對漁業及其它水產動物帶來嚴重危害。

有些硅藻（如根管藻）生殖太盛並密集在一起，可阻礙或改變鯡魚的洄游路線，降低漁獲量 ^[1]  。

它們靠光合作用將海水中的無機物合成自身需要的有機物。硅藻色素包括葉綠素a、c1、c2、以及胡蘿蔔素。它們能吸收太陽光的能量，將細胞中的水分解，使水分子上的一個氫原子分離出來，一部分有利的氫原子和二氧化碳化合經過複雜的化學變化後就產生了糖和澱粉，這就是光合作用。這些物質再和細胞吸收的氮、磷、硫等物質進一步作用，氧就形成了蛋白質和脂肪等物質。遊離出的部分氫原子每兩個和一個氧原子結合形成了水，氧分子中的另一個氧原子就從細胞裏跑出來溶解到水裏或者跑到大氣裏去 了。地球上有70%的氧氣是浮游植物釋放出來的，浮游生物每年製造的氧氣就有360億噸，佔地球大氣氧含量的70%以上。由於硅藻數量又佔浮游生物數量的60%以上，這樣可以推算，假設現在地球上沒有硅藻了，不用3年，地球上的氧氣就耗幹了。動物和人類也就都沒法呼吸了。

硅藻是魚、貝、蝦類特別是其幼體的主要餌料，它與其他植物一起，構成海洋的初級生產力。 硅藻還是形成海底生物性沉積物的重要組成部分。經過漫長的年代，那些在海底沉積下來的以硅藻為主要成分的沉積層，逐漸形成了經濟價值極高的硅藻土。硅藻土不但含有豐富的營養物質，而且還能完好地保存動植物的遺體，在古生物學研究領域具有重要意義。

硅藻死後，它們堅固多孔的外殼—細胞壁也不會分解，而會沉於水底，經過億萬年的積累和地質變遷成為硅藻土。硅藻土可被開採，在工業上用途很廣。可製造工業用的過濾劑、隔熱及隔音材料等等。中國山東山旺地區就出產大量的硅藻土。游泳池的主人將老化的硅藻殼拿來過濾水裏的污染物質。諾貝爾獎的創始人alfred nobel發現將不穩定的硝化甘油放入硅藻所產生的硅土後可以穩定的成為可攜帶的炸藥。 ^[1]  人們還猜想，石油是來自遠古硅藻產生的油類。也有人認為，地球上有機物質中的3/4是來自於硅藻和藻類的光合作用。 ^[2] 

從2007年起，喬治亞技術研究所的研究人員就開始開發一項用基因工程改造偽矮海鏈藻的技術，希望用其來創造一種新的硅結構。通過用基因複製的技術來研究硅藻構建複雜硅質細胞的過程，研究者最終的目的是要找到一項在實驗室中製造納米材料的技術。

硅藻是一種水生的單細胞生物，它的細胞壁上有大量的氣孔，使其兼具小質量和堅固的結構。像雪花一樣，硅藻的細胞壁有多種形態。

研究者假設這種結構的多樣性源自一種特殊的silaffin蛋白質，它存在於硅藻的硅產生組織中。通過基因技術來複制硅藻的silaffin，研究者不僅可瞭解了硅藻的細胞生化結構，還可能應用這些組織來生產商用的化合物和材料。

海綿等生物體能夠利用自身中的某些蛋白質和多聚糖在水相、中性ph和室温等温和反應條件下介導生成具有精確可控形態結構、生物相容性好的生物材料——生物硅膠。許多研究者從硅藻等這些生物體得到啓發，利用不同的天然的或人工合成的大分子在不同的反應環境和體系下介導不同類型的硅前體仿生合成了許多不同形態、尺寸大小的硅膠。 ^[1] 

硅藻成為未來太陽能電池研究模板

在人類發明硅基太陽能電池之前，自然界中的硅藻早就開始利用二氧化硅來收集太陽能。藻類外殼利用陽光的構築是未來太陽能電池原材料和模型構築的最佳供體。挪威科技大學(NTNU)和挪威科技工業研究院(SINTEF)組成斯堪迪納維亞半島最大的跨學科團隊正在利用硅藻和其他單細胞藻類作為未來太陽能電池研究的模板，來製造太陽能利用率與藻類媲美的硅藻太陽能電池。 ^[3] 

藻類有200 個門，10 萬多個種，大多數生活在海水中，能利用太陽能進行光合作用。藻類是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有機體，其能較少的反射太陽光，並通過網格毛孔捕獲太陽能。藻類高效利用陽光的最大秘密在於其外殼，其中單細胞的硅藻外殼是最佳模型。硅藻外殼是由結構極為複雜精密的二氧化硅組成10~50nm 的六邊形微孔排列形成絲網狀結構。這種複雜的結構能使射進的光線無法逃逸。該項目負責人Gabriella Tranell 表示，這種紋飾繁密的藻殼不僅增強了硅藻的硬度和強度，使其具有能懸浮起來的機械性能，而且提高了其運輸營養物質和吸附、附着的生理功能，且阻止了有害物質進入，增強了光吸收率。

該團隊從世界上一萬多種硅藻中篩選出外殼結構最好的微藻：假微型海鏈藻、牟氏角毛藻、羽紋藻和圓篩藻。其中圓篩藻的外殼結構最好，但圓篩藻卻很難培養。研究人員應用納米技術，利用延展性較好的貴金屬金為原材料，以硅藻外殼為模具，用生物模板法複製了具有優質光學性質的硅藻外殼結構。接着測試了該黃金仿生結構複製品的各個結構和光學性質，並利用計算機進行模擬。而後通過計算機模擬獲得不同外殼各層組件的結構(如不同孔徑、形狀等)的光學測試闡釋了硅藻外殼捕獲太陽光、反射太陽光的原理和最佳入射光角度與結構選擇。據此獲得計算機模擬的光吸收最佳模型並依此尋找自然界中的最佳硅藻外殼。

在現實中為了使硅藻外殼表面不覆蓋其他雜質且形成不相互重疊的外殼單層，研究者先用海藻酸清洗去外殼上所有有機物質和雜質，然後嘗試讓帶負電荷的硅藻外殼在帶正電荷的平板上形成平坦的單分子層。另外研究者也嘗試用梯度密度法，即讓硅藻在兩種不相容液相(如水與氯仿)交界面處自然形成單細胞外殼層。

獲得高質量、耐熱、耐化學腐蝕的硅藻外殼，是硅藻的重中之重。該團隊通過控制培養基中氮、磷、鋅、維生素和微量元素等來調控硅藻合成外殼。通過特定時期減少硅酸鹽濃度、添加二氧化鈦，使得外殼表面覆有導電性的二氧化鈦。