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海洋微生物
第一章绪论
一、海洋微生物的定义
海洋微生物（marinemicrobe）以海洋水体为正常栖居环境的一切微生物。
自八十年代起海洋生物技术蓬勃发展，“向海洋要药物”是新世纪海洋生物技术提出的口号。
海洋微生物的研究起步较晚，但在最近几年也受到了普遍重视。
二、海洋环境的特征
（1）海洋占地球表面积的71%—资源丰富；
（2）海洋平均深度：
4000m——高压，低温
（3）主要离子：
Na+，Cl-，Ca2+，K+，SO42-——高盐
（4）营养匮乏（N，P，Fe）——稀营养
1.远海环境
（1）栖居着浮游（自由泳动）微生物
（2）地球上最大的环境（3）一般有大空间规模的环境变化（温度、光度等）
2.深海环境
（1）沉积物表面
（2）提供了附加的表面积（3）提供小生境的多样性，使得有小空间规模的环境变化
3.海洋雪（marinesnow）
（1）海洋雪定义：
生存或死亡的有机体被黏多糖（微生物和浮游植物分泌的胞外产物）粘在一起形成的大的聚集体。
（2）海洋雪的形成
①黏多糖形成纤丝②纤丝凝结形成透明结构③透明结构不断碰撞形成更大的颗粒，即海洋雪。
（3）海洋雪的特点
①海洋雪的产量随光合作用强度和洋流季节性地波动，春天更大一些。
②80%的初级生产者分泌黏多糖③海洋雪的沉降速率是16-25m/d，沉降过程中颗粒不断增加。
④提供养料给深海生物。
三、海洋生物的特征
（1）多样性
（2）复杂性（3）特殊性
四、陆栖微生物的研究拥有辉煌的历史
微生物活性代谢物是药物的丰富源泉：
自19世纪60年代首先从微生物中发现了青霉素以来，人们陆续从陆栖微生物中寻找到抗生素类药物、化疗药阿霉素、免疫抑制药环孢霉素A等120多种重要的临床使用药物。
五、陆栖微生物研究陷入了困境
（1）陆栖微生物中发现新代谢产物的速率明显降低，重复发现率极高。
（2）传染性病菌对传统抗生素的抗药性正在迅速发展。
目前，约12种重要的病菌已有抗药性，寻找活性物质新源成为当务之急。
六、海洋无脊椎动物研究面临的问题
二十多年以来，海洋天然产物的研究主要致力于海洋无脊椎动物的代谢物。
海洋无脊椎动物的研究不可避免这样一个现实：
（1）从海洋无脊椎动物里获取大量可靠的、最重要的是可更新的资源非常困难
（2）从海洋无脊椎动物获得的化合物结构复杂，无法进行有商业价值的化学合成
七、海洋微生物是寻找生物活性物质的丰富源泉
势优1：
海洋微生物大多为陆栖微生物的变种，可以利用现有的许多商业化发酵工艺进行分离和培养，这使海洋微生物成一种可控制的资源，避免了海洋无脊椎动物研究中的资源问题。
优势2：
生存环境的的特异性，使海洋微生物在物种、基因组成和生态功能上表现出多样性和特异性，相应产生一些特殊的活性代谢物质。
因此从海洋微生物中发现新化合物的概率将比陆栖微生物要大的多。
优势3：
海洋微生物研究技术取得重大突破：
（1）分离培养技术：
采用稀释培养法使分离率大大提高
（2）采用新的分子生物学技术进行鉴定，利用基因（16SrRNA）法解决分类学的难题。
八、海洋微生物的重要意义
1.海洋微生物中发现了有重要价值的代谢产物
⑴从海洋细菌中分离到含溴量高达70％的抗生素。
⑵从海洋放线菌分离到罕见的含硼化合物（aplasmonhodide）抗菌素，能抑制革兰氏阳性菌。
⑶从海洋真菌中发现许多结构新颖，有抗菌、抗癌和神经心血管活性物质。
如：
头孢菌素C，大环交脂，生物碱等
2.海洋动物中的活性物质的真正来源是海洋微生物
如：
河豚毒素、海葵毒素等
研究培养繁殖这些微生物，能够大量提取珍贵的活性物质。
3.海洋微生物研究有益于海产养殖业的发展
如：
虾卵的表面细菌能够产生保护虾卵的3－吲跺啉二酮；
者哩鱼身上表面发现一种放线菌streptomycessp，产生两种奇特的肽类，能选择性抗革兰阳性菌。
4.海洋微生物能产很多新的生化产品
如：
热稳定的耐盐的酶，细菌视紫红质以及生物塑料等。
此外，也可利用海洋微生物处理海洋环境污染。
九、海洋微生物的最新研究动态
1.海底捞“金”
2004年4月，美国的塞莱拉（Celera）遗传信息公司对外宣称，他们在百慕大群岛附近的马尾藻海中，发现了1800多种新的海洋微生物，以及121万余种科学界所从未见过的新基因。
这一发现被《科学》杂志评选为2004年科学十大突破之一。
（1）海底捞“金”瞄准海洋微生物
不依赖于传统的培养技术，直接从样品中提取DNA（基因16SrRNA法）
（3）海底捞“金”的基因资源全部“充公”
文特尔宣布，所有新发现的基因组序列都将成为公共领域资料，这是对公有数据库是一个大大的补充，而文特尔本人的目标是“为地球所有微生物的基因组编写家谱”。
2.海洋微生物拥有的最完美基因
美国科学家最近研究发现，一种被称为Pelagibacterubique的海洋微生物拥有地球上所有生物中最完美的基因。
这种微生物的基因组由1354个基因组成，如此小的数量只有最原始的微生物才拥有。
我们可以比较一下：
人的基因组由约30000个基因组成。
然而，不同与其它发达生物体的是，科学家们在这种微生物体内没有发现任何一个闲置的和重复的基因。
3.国内动态
国家海洋局第三海洋研究所的海洋生物遗传资源重点实验室科研人员，从近200株海洋微生物中筛选得到3株具有一定抗艾滋病毒活性菌株。
经中国医学科学院医药生物技术研究所体外抗HIV－1型病毒的测试确定，从它们的发酵液中分离得到的粗提物，能抑制HIV－1病毒引起的CEM细胞融合特征性病变和病毒在CEM细胞内的复制。
4.微生物活性物质筛选的新途径—宏基因组克隆
直接提取特定环境中的总DNA，克隆到可培养的宿主细胞中，从所获得的重组克隆子中筛选活性物质和相关基因，显示了其在挖掘和利用那些未能培养微生物的基因资源筛选新生物活性的潜在能力。
十、从海洋微生物的研究中得到以下几点启示
1、寻找新的细菌培养基和培养方法，因为传统的培养基------酵母提取液和蛋白胨并不适合海洋微生物的生长；尤其是要研究影响海洋微生物生长代谢的特殊营养因子和培养条件，这是大规模开发海洋微生物资源所必须解决的前提。
2.研究海洋特有微生物，如共生菌或深海细菌，因为细菌对海洋的适应性越强，产生新化合物的概率越大；这些细菌即使并非海洋特有物种，为了适应环境，也会产生新颖的次生代谢物。
3.全面进行海洋微生物的生态学和多样性研究，采用PCR技术、16srRNA与16srDNA序列同源性的比较和宏基因组文库的构建及筛选，不经培养研究海洋微生物的多样性已经取得了很大进展。
但是海洋微生物多样性的全面调查有待于进行。
总结
（1）研究海洋微生物活性物质，能发现结构新颖的化合物，丰富和发展有机化学理论以及生命科学基础研究。
（2）研究海洋微生物活性物质，能找到新的强效抗菌素和抗病毒活性新药。
这一领域的研究在理论上和维护人类健康方面都有重大意义。
第二章海洋与海洋生物间的相互关系
第一节海洋概论
一、导论
（一）基本知识
地球的面积：
5.1×108Km2；海洋的面积：
3.62×108Km2
平均深度：
3800m；最大深度：
11034m。
海洋体积：
13.7×108Km3
（二）海与洋的区别
海：
海是洋的边缘部分，隶属各大洋，以海峡或岛屿与洋相通或相隔，面积较小，约占海洋总面积的11％；离大陆近，深度较浅，一般在2000m以内；水文状况受大陆影响，各种环境因子变化剧烈，并有明显的季节变化；沉积物多为陆相沉积
洋：
是地球上连续咸水水体的主体部分，面积辽阔，远离大陆；水体深，一般在2000m以上；具有独立的潮波系统和潮流系统；水文状况不受或很少受到大陆的影响，相对比较稳定；沉积物多为海相沉积
1、最大的海是位于太平洋的珊瑚海（CoralSea），面积为4.79×106Km2。
2、最小的海是马尔马拉（Marmara），面积为1.1×104Km2。
（三）海的分类
根据所处位置，可以分为：
边缘海、陆间海、内陆海、海湾、海峡等。
边缘海：
靠近大陆边缘的海，它以岛屿、群岛或半岛与大洋相隔。
黄海、东海和南海。
内陆海：
深入大陆的海成为内陆海。
渤海、波斯湾、红海、黑海和波罗的海。
二、海水特性及其对海洋生物生活的意义
1、海水中的溶解物质
2、海水的热学特性：
热容量、蒸发潜能、比热容和热导率都是海水的热力学特性。
海水热容量和蒸发潜热很大，因此具有相当高的组织温度大幅度突发性变化的能力。
导热性很小，热量向周围扩散很慢，水域温度比较稳定。
海洋为其中生物的生存及生命活动提供了一个相对稳定的温度环境条件。
3、海水为微碱性缓冲溶液
4、海水的密度：
海水的密度是温度、盐度、压力的函数，通常是随温度的升高而减小，随盐度和压力的增加而增大。
海水密度大，重力效应对海水中生物的影响较小，不需要坚强的骨骼系统。
5、海水的黏性：
其实质是海水对流动的阻力，通常随温度升高而变小，随盐度增加而变大。
6、海水的表面张力随温度和盐度的升高而增大。
海蜘蛛依靠表面张力生活在海洋表面。
四、中国海：
1、渤海2、黄海3、东海4、南海
五、海洋环境的划分
（一）海洋三大环境梯度
1、从赤道到两极的纬度梯度
主要表现为赤道向两极的太阳辐射强度逐渐减弱，季节差异逐渐增大，每日光照持续时间不同，从而直接影响光合作用的季节差异和不同纬度海区的温跃层模式。
2、从海面到深海海底的深度梯度
主要由于光照只能透入海洋的表层（最多不超过200m），其下方只有微弱的光或是无光世界。
温度也有明显的垂直变化，底层温度很低且较恒定，压力也随深度而不断增加，有机食物在深层很稀少。
3、从沿岸到开阔大洋的水平梯度
从沿海向外延伸到开阔大洋的梯度主要涉及深度、营养物含量和海水混合作用的变化，也包括其他环境因素（如温度、盐度）的波动呈现从沿岸向外洋减弱的变化。
（二）海洋环境的划分
水层环境：
从海水的表层到大洋的最大深度，即覆盖于海底之上的全部海域。
水底环境：
包括所有海底以及高潮时海浪所能冲击到的全部区域。
水层环境
水平方向划分
近海带（neritic）：
又称沿岸区和近岸区。
大洋区（oceanic）：
又称远洋区，占世界海洋的大部分。
近海带与大洋区在水层垂直方向的界限通常是在200m等深线处。
此处一般是大陆架的边缘，同时大体上相当于水层环境中真光带和无光带的界限。
1、近海带特点：
（1）盐度变化幅度较大，一般盐度低于大洋；
（2）环境的理化因素具有季节性和突然性的变化；（3）由于受大陆径流的影响，营养元素和有机物质丰富；（4）生物种类和生物量大，生物多为广温性和广盐性；（5）是许多经济生物的产卵场、索饵场和栖息地。
2、大洋区环境特点
（1）空间广阔，垂直幅度大；
（2）透明度大，呈现深蓝色；（3）化学成分稳定，盐度较高，营养成分较低；（4）生物种类和生物密度低；（5）理化性质在空间和时间上的变化不大。
3、大洋区分层
上层（epipelagiczone）：
0~200m，亦称有光带。
中层（mesopelagiczone）：
200~1000m，有光透入但满足不了浮游植物光合作用需求。
深层（bathypelagiczone）：
1000~4000m。
深渊层（abyssopelagiczone）：
4000~6000m。
超深渊层（hadalpelagiczone）：
6000m以下。
深层和深渊层统称无光带，或称黑暗带。
水底环境
1、水底环境划分
潮上带（supratidalzone）：
高潮线以上。
潮间带（intertidalzone）：
有潮汐现象和受潮汐影响的区域。
潮下带（sub-tidalzone）：
潮间带下限至水深200m。
深海带（bathyalzone）：
水深200至1000~4000m。
深渊带（abyssalzone）：
深海带以下至6000m。
超深渊带（hadalzone）：
深渊带以下。
2、深海海底的环境特点
光线极微弱或完全无光；部分海底温度终年很低（-1~5℃），无季节变化，但在热液喷口的海底水温变化急剧；海水很少垂直循环，仅微弱的水平流动；没有光合作用植物生长，但有化能合成细菌作为生产者，因此生活着不少种类的底栖生物。
第二节海洋环境因素及其与海洋生物之间的相互关系
环境的概念
广义的概念：
是指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体的一切事物的总和。
在生物科学中的概念：
环境是指生物栖息地，以及直接或间接影响生物生存和发展的各种因素。
在环境科学中的概念：
人类是主体，环境是指围绕着人群的空间以及其中可以直接或间接影响人类生活和发展的各种因素的总和。
（一）生态因子与海洋生物间的相互关系
1、生态因子定义
环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素。
包括温度、湿度、食物、氧气、二氧化碳和其他相关生物等。
2、生态因子作用的一般特征
（1）综合作用
（2）主导因子作用（3）直接作用和间接作用（4）阶段性作用
（5）不可替代性和补偿作用
3、生态因子的限制性作用
限制因子（limitingfactors）：
任何一种生态因子只要接近或超过生物的忍受范围，就会成为该物种的限制因子。
利比希最小因子定律（Liebig’sLawofMinimum）：
当一种植物对某一营养物质所能利用的量已接近其所需量的最小值时，该营养物质就必然会对该植物的生长和繁殖起限制作用并成为限制因子。
谢福德耐受定律（Shelford’sLawofTolerance）：
生物的存在与繁殖，要依赖于某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量或质不足或过多，超过某种生物的耐性极限或生态幅，则使该物种不能生存，甚至灭绝。
生态幅：
每一个种对环境因子适应范围的大小，决定于各个种的遗传特性。
4、生态因子的生态作用
生态因子分为：
1非生物因子（abioticfactor）：
也称理化因子，海洋环境的非生物因子包括光照、温度、盐度、海流、各种溶解气体和悬浮物质等；2、生物因子（bioticfactor）
非生物生态因子：
A、太阳辐射（solarradiation）B、温度C、盐度D、波浪、海流和潮汐E、溶解盐类、溶解气体F、海水中有机物
A、太阳辐射
a、概念：
太阳辐射，即光照是海洋环境中最重要的生态因素之一，它直接影响海洋中有机物质的生产。
太阳辐射是海水中热量的主要来源，不仅对海洋生物生活有重要影响，对地球上的生命活动都具有直接或间接的重要作用。
太阳辐射在海水中不同深度的光照强度：
ID和I0分别表示在深度D处和海面的光强；K是平均消光系数或称衰减系数；e为自然对数的底；D是深度。
饱和光强：
在低光照条件下，光合作用速率与光强成正比关系。
随着光强的继续增加，光合作用速率逐渐达到最大值，这种光强称饱和光强，用IK表示，即光合作用速率不再随光强增加而上升。
如果光强继续增加，光合作用会因光照过度而受到抑制，光合作用速率将下降。
b、光照与海洋植物的垂直分布
生活在浅海的植物由沿岸浅海向下依次为绿藻、褐藻和红藻。
成带分布的原因：
植物对光照强度适应的结果；植物对水中光照性质适应的结果。
藻类对光照的调节适应：
增加光合作用的辅助色素和增加叶绿素的数量（浓度）以增加吸收光谱的中间部分。
c、光照与海洋动物的垂直分布
光照条件的地理差异，可以改变浮游动物的分布水层。
浮游动物的垂直分布季节变化。
某些种类的不同世代的个体分布于不同的水层。
生活史的不同时期分布于不同水层。
海洋动物的昼夜垂直移动现象。
“最适光强”假说：
浮游动物停留在最适光强区，当光照超过其最适光强时，动物表现为负的向光性；低于最适光强时，表现为正的向光性。
d、光质的生态作用
不同光质对植物的光合作用、色素形成、向光性、形态建成影响不同。
光合作用的光谱范围只是可见光区。
可见光对动物生殖、体色、迁徙、生长、发育都有影响；不可见光对生物的影响也有多方面。
不可见光对生物的影响
昆虫对紫外光有趋光现象，草履虫则为避光反应。
紫外光致死作用：
波长360nm开始杀菌：
波长340-240nm可使细菌、真菌、线虫卵及病毒停止活动；波长200-300nm杀菌力强，能杀灭空气、水面及物体表面的微生物。
紫外光杀生物的机理
细胞对光波的吸收谱线有一个规律，在250~270nm的紫外线有最大的吸收，被吸收的紫外线实际上作用于细胞遗传物质即DNA，它起到一种光化作用，紫外光子的能量被DNA中的碱基对吸收，使DNA分子中相邻的嘧啶形成嘧啶二聚体,抑制DNA复制与转录等功能。
使细菌当即死亡或不能繁殖后代，达到杀菌的目的。
e、太阳辐射与海洋动物的体色
海洋动物的体色也表现出对光照的适应性。
主要表现在动物体色于生活背景的一致性和在光照条件或生活（环境）背景改变时动物的变色现象。
B、温度
a、海水温度的水平和垂直分布
在开阔大洋表面混合层下，从200~300m至1000m处，温度下降迅速，这一水层被称为永久温跃层（permanentthermocline）。
永久温跃层与表层较暖的低密度水和底层冷的高密度水之间的水密度变化是一致的，这一海水密度迅速变化的层，被称为密度跃层（pycnocline）。
它作为一个屏障影响着水的垂直循环，同时还影响着对海洋生物产生作用的某些化学物质的垂直分布。
温度和密度的急剧变化对海洋动物的垂直移动也有限制作用。
季节跃层（seasonalthermocline）：
温带气候的夏季，在风力弱而太阳辐射强时，没有湍流混合使热量向下方移动，在近表层水中形成了热分层。
最高温度（maximumtemperature）：
生物生命的温度上限。
群绝育蛋白质康凝固能力，或酵素的耐热性能。
最适温度（optiumtemperature）：
广义得知生物能正常生活的温度范围，狭义的则指生命活动最旺盛时的温度，这很可能是一个较狭小的温度范围。
最低温度（minimumtemperature）：
及生物生命活动的温度下限，在此温度以下，生命即死亡。
b、温度与代谢的作用
通常，在适温范围内代谢作用是随温度的增高而加强。
温度系数（temperaturecoefficient,Q10）：
体温每升高10℃时新陈代谢速率的变化。
Q10=Tb时的代谢速率/（Tb-10℃）时的代谢速率
生物学上Q10的一般介于2~3之间。
c、温度与海洋动物生殖
每一种动物都有一个明显的生殖季节。
通常情况下，温带海洋动物主要生殖期是在春季，有时也会延续至夏季。
通常，在一定范围内温度高即会加速发育过程，而且发育速度的加快与温度的升高成正比。
生物学零度（biologicalzero）：
生物进行生长发育的最低温度（即发育界限）以下的温度。
有效积温法则：
胚胎发育所必需的总热量基本上是一个常数，称为热常数，即指发育期的平均水温与发育所经过的天数或时数的乘积是一个常数。
K=N（T-C）
K为热常数，即完成某一发育阶段所需的总热量；N为发育历期，即完成某一发育阶段所需天数；T为发育的平均温度；C为生物学零度。
d、温度与海洋动物个体大小及寿命
生活在冷水中的生物个体常比生活在暖水的同类生物的个体大。
变温动物的寿命在低温条件下通常较长。
e、温度与海洋生物体内钙质的积累
在高温下，钙在动植物体内的积累量远比低温时多。
e、温度与海洋动物形态结构
鱼类的尾椎骨的数目和鳍条数目在冷水中明显增加，身体也增大。
低温环境动物体表附属器官缩小。
f、温度与海洋动物的分布与行为：
鱼类的洄游与温度密切相关。
C、盐度
a、盐度定义：
盐度是海水总含盐量的度量单位，当碳酸盐全部转化为氧化物，溴和碘已为氯取代，所有有机物均已完全氧化时，1kg海水中所含全部可溶性无机物的总质量（g）,或简单地定义为溶解于1kg海水中的无机盐总质量（g）。
b、海洋盐度分布
大洋表层水盐度变化不大（32~37），平均为35。
纬度20~30海区较高。
温带和两极海洋及热带海区的赤道带盐度较低。
原因不同：
赤道带盐度较低，是由于大量降雨和风速减弱的缘故；两极海水盐度较低是因为低温蒸发弱和极地的融冰。
“Marcet原则”（海水组成恒定性规律）：
尽管大洋海水的盐度是可变的，但其主要组份的含量比例却几乎是恒定的，不受生物和化学反应的显著影响，此即所谓“Marcet原则”，或称海水组成恒定性规律。
半咸水或咸淡水：
是海水和淡水混合而盐度下降的海水，称为半咸水或咸淡水。
浅海区盐度较大洋的低，且波动范围也较大（27~30）；半封闭海区（如波罗的海）盐度则低于25；
河口区受淡水影响更为明显，盐度变化更大（0~30）。
超盐水：
盐度超过40的海区的海水（如红海、热带近岸泻湖）称为超盐水。
c、盐度对海洋生物的影响
（a）盐度与海洋动物个体大小
（b）盐度与海洋生物的渗透压
变渗透压动物（poikilosmoticanimals）：
渗透压调节适应不完全，与外界环境是等渗压或接近等渗透压，大多数海洋无脊椎动物。
等渗透压动物（homoiosmoticanimals）：
又称渗压调变生物，能够保持与环境不同的渗透压，可以高于环境或低于环境，并具有正常的渗透压调节机能，所有海洋硬骨鱼类。
（c）盐度与海洋生物的分布
狭盐性生物：
对盐度变化很敏感，只能生活在盐度稳定的环境中。
深海和大洋中的生物，是典型的狭盐性生物。
广盐性生物：
对于海水盐度的变化有很大的适应性，能忍受海水盐度的剧烈变化，沿海和河口地区的生物以及洄游性动物都属于广盐性生物。
例如弹涂鱼能生活在淡水中，也能生活在海水中，这是它们长期适应不同盐度环境的结果。
D、波浪、海流和潮汐
海水在水平方向的流动有海流和潮流两种。
海流：
在一年中，其流向几乎是恒定的，流速流量则可以随季节变化。
潮流：
其流速、流向在一天中有周期性改变。
a、海流分类
海流按温度特征可分为寒流和暖流。
寒流：
指水温低于流经海区水温的海流，通常是从高纬度流向低纬度（如千岛寒流），寒流一般低温低盐，透明度较小。
暖流：
指水温高于流经海区水温的海流，通常是从低纬度流向高纬度如（黑潮暖流），暖流一般高温高盐，透明度也较大。
b、海流的生态作用
（a）海流对海洋生物最直接的影响是在于海流散播和维持生物群的作用。
暖流可将南方喜热带性动物带到较高纬度海区。
寒流则可将北方喜冷性动物带到较低纬度海区。
海流也有助于某些鱼类完成“被动洄游”。
海流将浅水区内的底栖动物的浮游性的卵和幼体带到很远但又适宜栖息的地方，在变态后就定居下来，扩大了底栖动物的分布范围。
在某些封闭海区，依靠海流的作用，从外地输入幼体来维持其独立的生物群。
例如，在北大西洋的藻海中，微弱的反气旋型环境流形成一个半永久性的闭合系统，这里堆积了随着海流漂流而来的大量岸边固着植物的马尾藻，形成一个特殊的生物群。
（b）海流与海洋生物生产力的关系主要表现在海水的辐散或辐聚与海洋表层浮游植物所需营养盐类能否得到补充有关。
表层的无机营养盐类（硝酸盐、磷酸盐等）含量很低，而这些营养盐却在深层大量积累。
因此，凡是有海水涌升的海区，表层营养盐很丰富，浮游植物繁殖茂盛，浮游动物和鱼类等消费者也可获得丰盛的食物。
海洋中几个强大的暖流和寒流交汇
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