Vi khuẩn lam có sức sống rất dẻo dai, chúng phân bố rộng rãi trong tất cả các môi trường. Đại bộ phận sống trong nước ngọt, ở các ao hồ có nhiều chất hữu cơ và góp phần hình thành hệ sinh vật nổi (plankton) của các thủy vực; một số phân bố trong nước mặn hoặc nước lợ, bùn lầy hay đất ẩm ướt, trên đá, trên vỏ cây ẩm, ngay cả những nơi có điều kiện rất khắc nghiệt như trong tuyết và ở những suối nước nóng đến 69°C.
Vi khuẩn lam thuộc loại ưa nhiệt, có tính bền vững với nhiệt độ. Nhiều loài có thể phát triển ở nhiệt độ cao, cả trong các suối nước nóng (70 - 80°C). Tảo lam có thể chịu được nhiệt độ cao như vậy là nhờ trạng thái keo đặc biệt của chất nguyên sinh. Mặt khác, một số vi khuẩn lam cũng có khả năng tồn tại ở nhiệt độ thấp (những vi khuẩn sống trong băng tuyết, hay ở Nam cực, nhiệt độ tới -83°C vẫn tìm thấy một lượng lớn vi khuẩn Nostoc).
Vi khuẩn phát triển mạnh ở nhiệt độ cao (vào các tháng nóng trong năm). Với các vi khuẩn nước ngọt, nhiệt độ phát triển thích hợp là 30°C.
Khi sinh trưởng phát triển mạnh, vi khuẩn gây nên hiện tượng “nước nở hoa”.
Tuy nhiên, một số loài thuộc chi Oscillatoria lại gây “nước nở hoa” trên băng ở nhiệt độ gần 0°C. Khi có hiện tượng “nước nở hoa” do vi khuẩn lam gây ra thì nước không sử dụng được vì khi đó sinh khối của tảo đạt tới mức khá lớn (tối đa tới 450- 500g/m3) mà trong đó rất ít loài có thể dùng làm thức ăn cho các sinh vật khác, sau đó chúng chết hàng loạt và phân hủy. Các chất do vi khuẩn tiết ra và các sản phẩm phân hủy của chúng khi chết đều gây hại.
Trong số các cơ thể tự dưỡng được thì vi khuẩn lam được xem là nhóm nguyên thủy nhất. Di tích hóa thạch của các vi khuẩn lam dạng sợi phát hiện được cách nay khoảng 3,5 tỷ năm. Mặc dầu tế bào không có cấu trúc phức tạp so với các vi khuẩn khác nhưng nó vẫn là đại diện có vai trò quan trọng ở các hệ sinh thái. Vi khuẩn lam là sinh vật quang hợp đầu tiên tổng hợp chất hữu cơ và cũng là tế bào đầu tiên có hai hệ thống tiếp nhận ánh sáng (hệ thống quang loại I và II) và giải
phóng O2. Nhiều loài vi khuẩn lam có khả năng cố định đạm, chuyển Nitơ trong khí quyển từ thể tự do sang dạng Nitơ sử dụng được như amoni (NH4), amino axit và một loạt hợp chất nitơ khác.
Vi khuẩn lam chưa có nhân điển hình, không có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân (nucleoid), không có lưới nội sinh chất, ty thể, thể golgi, lạp thể và không mang roi, chỉ chứa chlorophyll, sắc tố liên kết với protein thường làm cho chúng có màu lam (có khả năng tự dưỡng). Chúng cũng chưa có sự sinh dục hữu phái.
Về tổ chức cơ thể, vi khuẩn lam có cấu tạo đơn giản, một số có dạng đơn bào, phần lớn dưới dạng tập đoàn hay đa bào hình sợi, hình chuỗi hạt đơn hay phân nhánh.
Đại đa số tế bào vi khuẩn lam dạng sợi – chuỗi hạt thường có tế bào dị hình (dị bào). Dị bào là những tế bào đặc biệt, lớn hơn các tế bào bình thường khác, có màng đôi, dày, trong suốt, không có oxy và không có hệ thống quang II do đó không sản xuất ra oxy trong quá trình quang hợp. Dị bào có 1 hoặc 2 lỗ (ở đầu tiếp xúc với tế bào dinh dưỡng) tùy theo vị trí ở đầu hay ở giữa sợi (đặc biệt trong phân loại) qua đó lưu thông tế bào chất với các tế bào nằm cạnh nó. Khoảng cách của dị bào trên sợi chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. Dưới kính hiển vi quang học, chất tế bào trông đồng nhất nhưng dưới kính hiển vi điện tử nó có một hệ thống màng, thường có màu xanh vàng do có chlorophyll a và caroten nhưng thiếu phycoxyanin.
Dị bào có vai trò trong việc cố định đạm trong điều kiện hiếu khí.
Hình 1.11. Tế bào dị hình (*) ở Tảo Annabaena
Trong sự phát triển của sợi, sợi có thể bị tách ra ở bên cạnh các dị bào này và tạo thành một nhánh mới đi ra từ sợi chính. Đó là sự phân nhánh giả của sợi, phân biệt với sự phân nhánh thật được bắt đầu từ một tế bào sinh dưỡng nào đó của sợi phân chia dọc và sau đó tế bào non mới hình thành tiếp tục phân chia tạo nhánh bên.
1.2.2 Cấu tạo tế bào
Màng tế bào vi khuẩn lam khá dầy, gồm 4 lớp, bên ngoài thường hóa nhầy, có khi tạo thành bao chuyên hóa, bao xung quanh tế bào hoặc nhóm tế bào hay toàn bộ sợi.
Chất nguyên sinh ở vi khuẩn lam được phân biệt thành 2 phần:
- Phần ngoài tập trung các phiến mỏng quang hợp (lamen), thể ri bô và các thể hạt (hạt chất tế bào) khác.
- Phần trong chứa chất nhân (nucleoprotein). Ở giữa ranh giới giữa 2 phần khụng rừ ràng chỉ nhận ra khi dựng phẩm Feulgen nhuộm trung bào chất chứa chất nhân.
Các chất màu (sắc tố) phân bố trên các lamen ở phần ngoài nên phần này có màu (xanh đen hoặc xanh lục).
Chất màu gồm có: chlorophyll a (có màu lục); phycoxyanin màu lam và phycoerythrin màu hồng và các dẫn xuất của caroten, oxycaroten.
Chất dự trữ của tế bào là glycogen, volutin, không có tinh bột.
1.2.3 Phân loại
Ngành vi khuẩn lam có khoảng 1500 - 2000 loài, tập hợp thành một số bộ, họ khác nhau. Hiện nay con số các bộ không thống nhất tuỳ theo tác giả. Có người chia ngành này thành 3 lớp với nhiều bộ, có người lại chia thành 1 lớp với 4 bộ:
Bộ Chroococcales: Vi khuẩn đơn bào, đơn độc hay tập đoàn. Tế bào tròn không phân biệt gốc và đỉnh, không có nội và ngoại bào tử.
Tế bào đơn độc hay tập đoàn nhưng không sắp xếp thành hàng hay sợi (họ Chroococcaceae), thường gặp như: Chroococcus, Microcystis.
Bộ Dermocarpales: đơn bào.
Bộ Pleurocapsales: Vi khuẩn đa bào dạng sợi đơn, có phân nhánh hoặc không,
sinh sản cách phân chia tế bào hoặc nội bào tử.
Các chi điển hình: Cyanocystis, Pleurocapsa.
Bộ Hormogonales: đa bào dạng sợi lông, hoặc phân nhánh, thường có tế bào dị hình, có khi sợi lại tập hợp thành tập đoàn.
Các chi điển hình: Nostoc, Anabaena, Aphanizomenon,...
Tác giả khác lại chia thành 2 bộ: Chroococcales với những dạng đơn bàn hay tập đoàn và Hormogonales với những dạng đa bào.
1.2.4 Ý nghĩa thực tiễn
Trong thực tiễn, vi khuẩn lam có vai trò tích cực và tiêu cực
Trong nông nghiệp, vai trò quan trọng của vi khuẩn lam là làm tăng độ phì cho đất nhờ khả năng cố định đạm. Hiện nay người ta đã tìm thấy khoảng 50 loài, phần lớn thuộc họ vi khuẩn chuỗi (Nostocaceae) có khả năng này. Ðặc biệt đáng chú ý là loài Anabaena azollae cộng sinh trong bèo hoa dâu, một loại cây dùng làm phân xanh và làm thức ăn gia súc có ý nghĩa kinh tế rất lớn ở nước ta.
Theo nhiều nghiên cứu cho thấy, nhờ sự phát triển của vi khuẩn lam trong ruộng lúa mà hằng năm mỗi hécta đất trồng lúa có thể lấy được thêm từ không khí khoảng 15 - 50 kg nitơ, trung bình là 20 - 25 kg, đôi khi thu được đến 80 kg hay nhiều hơn nữa.
Những năm gần đây, một số vi khuẩn lam có hàm lượng protein cao như Spirulina maxima, S. platensis được nuôi trồng với quy mô công nghiệp để thu sinh khối nhằm bổ sung nguồn protein cần thiết cho chăn nuôi và cho con người.
Vi khuẩn lam tích lũy ở đáy thủy vực, tham gia vào việc hình thành bùn sapropen được dùng làm phân bón, thức ăn gia súc giàu vitamin, chế biến làm than cốc, khí hơi và dùng chữa bệnh...
Một số vi khuẩn lam được dùng làm thức ăn cho người như Nostoc commune, Nostoc pruniforme. Ðây là một loại thực phẩm ngon và quí đối với người Trung Quốc, giàu protein và vitamin.
Ngoài ra, cùng với vi khuẩn và các động vật nguyên sinh, vi khuẩn lam còn được dùng làm sạch sinh học các nguồn nước thải ra từ sản xuất công nghiệp.
Vi khuẩn lam cũng có những tác dụng tiêu cực: khi phát triển mạnh chúng gây hiện tượng "nước nở hoa' làm giảm phẩm chất của nước, ảnh hưởng tới động vật đáy và biến đổi hệ sinh thái thủy vực.
Vi khuẩn lam ít có ý nghĩa dinh dưỡng đối với động vật phù du, do chúng có cấu trúc màng nhầy, động vật thường không sử dụng được và chúng thường sinh ra độc tố. Chỉ có một số ít cá sử dụng một số vi khuẩn lam để ăn.