第二章 海洋微生物

什么是海洋微生物

来自（或分离自）海洋环境，其正常生长需要

海水，并可在寡营养、低温条件（或高压、高温、高盐等极端环境）下长期存活并能持续繁殖子代的微生物均可称为海洋微生物。

陆生的一些耐盐菌，在淡水和海水中均可生长，则称为兼性海洋微生物。

海洋微生物多样性

真菌

1、 定义：

海洋病毒是海洋环境中土著性的、超显微的、仅含有一种类型核酸（DNA或RNA）、专性活细胞内寄生的一类非细胞形态微生物。

在海水中的密度高达106～109个/ml海水。但目前只知道感染海洋生物的极少部分病毒。

第一节 海洋病毒

2、种类：

具有形态多样性和遗传多样性。

a filamentous phage, f327, isolated from an Arctic sea ice Pseudoalteromonas strain

BSi20327和BSi20327A在不同NaCl浓度下的生长情况

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327 327A

3% NaCl

f327能降低

宿主的生长速率和宿主群落的细胞密度，能减弱宿主对NaCl的耐受性

BSi20327和BSi20327A在不同NaCl浓度下的生长曲线及CFU统计

BSi20327和BSi20327A的H2O2耐受性

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不同浓度H2O2处理后Ps. sp. BSi20327和Ps. sp. BSi20327A的存活率。

f327的存在可能会削弱宿主Ps. sp.

BSi20327对H2O2

的耐受性

BSi20327和BSi20327A的运动性

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3% NaCl

8% NaCl

f327可以提高宿主的运动能力

丝状噬菌体f327影响宿主的分子机制

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在3%的NaCl下BSi20327和BSi20327A差异表达的基因

噬菌体的表达组装以及鞭毛组装相关基因的表达上调导致耗能的增多，导致BSi20327在3%的NaCl下生长速度减慢。

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丝状噬菌体f327影响宿主的分子机制

在8%的NaCl下BSi20327和BSi20327A差异表达的基因

丝状噬菌体f327影响宿主的分子机制

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在8%的NaCl下BSi20327和BSi20327A差异表达的基因

TCA Cycle: 琥珀酰辅酶A合成酶和琥珀酸脱氢酶

f327减少宿主能量的产生、减慢基因的转录与翻译

f327调控假交替单胞菌群落适应海冰环境的模型

冬季，由于低温和极夜，海冰中的细菌面对着高盐和营养缺

乏。

f327通过降低假交替单胞菌宿主的生长速率和NaCl耐受性，

减小宿主细菌群落的规模从而减少营养的消耗；与此同时，

f327可以提高宿主的运动能力，帮助宿主更快地到达适合其

生长的环境。

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夏季，海冰融化，盐度降低。由于极昼，海冰中的细菌

面对着高浓度的H2O2和丰富的营养。

f327的存在使得宿主的H2O2耐受性降低，导致Ps. sp.

BSi20327的死亡率升高。此外，f327的存在能够降低宿

主群落的细胞密度。这些作用可以避免假交替单胞菌宿

主群落在营养物质非常丰富时过度地繁殖，从而对生态

系统产生破坏。

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f327调控假交替单胞菌群落适应海冰环境的模型

3、分布：

在海洋中的分布规律为：

（1）水平分布为近岸密度高，远岸密度底；垂直分布为随海水深度增加逐渐减少，在接近海底的水层中密度又增大。

（2）海洋病毒在海水中的含量呈动态变化

（3）海洋病毒在海水中的密度高达106～109

个/ml海水。

（4）海洋病毒是海洋中丰度最高的生物群体，总量是海洋细菌的5-25倍。

4、与其它海洋生物的关系

海洋病毒侵染各种海洋生物。

50-60％的海洋异养细菌死亡是由海洋噬菌体裂解引起的。

海洋病毒的感染致病给水产养殖业造成巨大损失。国际兽医局（OIE）列出的水产动物必须申报的16种鱼类疾病中病毒病占10种，列出的8种甲壳类疾病中病毒病占7种。

5、海洋病毒的生态作用：

海洋病毒是海洋生态系统的重要成员，在维持海洋生态平衡中发挥了重要作用。

对虾病毒

1974年发现第一种对虾病毒以来，目前已报道的对虾病毒有8个科19种。

对虾白斑综合症病毒(white spot syndrome virus, WSSV)

徐洵 院士

国家海洋局第三研究所

在世界上率先完成对虾白斑杆状病毒（WSBV）的全

基因组序列，破译WSBV遗传密码。这一成果被评为“1999年中国十大基础科学研究新闻”、“2000年度中国十大科技进展”新闻。这是世界上第一个被破解的海洋动物病毒的基因结构，为人类认识海洋环境病毒的特性及作用机理提供了首例模型，为控制海洋病毒奠定了基础。

创建了中国第一个海洋基因工程实验室。徐洵院士创建的海洋生物基因工程实验室是国家海洋局的重点实验室，现已更名为“国家海洋局海洋生物遗传资源重点实验室” 。

1. 动物抗病毒免疫的分子机理

以海洋无脊椎动物（对虾）、哺乳动物等为材料，研究小G蛋白在调控细胞吞噬中的作用；研究细胞凋亡在抗病毒免疫中的作用机理；研究非编码小RNA在细胞吞噬、细胞凋亡中的调控作用，对肿瘤发生与肿瘤免疫的影响。

2. 深海热液口嗜热微生物-噬菌体的相互作用

在高温条件下，细菌抵抗噬菌体侵染的信号途径；高温噬菌体裂解相关蛋白的作用机理。

章晓波 教授

浙江大学

汪岷

中国海洋大学

海洋浮游病毒研究

近5年来开展了南北极、中国近海、西太平洋、印度洋等海域的生物海洋学调查研究，带领团队参加马里亚纳海沟等海洋调查航次30余次。作为浮游病毒研究的学术带头人，2015年，参加了中国第31次南极科学考察和国家“973”项目北欧海科学考察。主持国家自然科学基金、国家“863”青年基金、山东省自然科学基金等科研课题。

Curtis A Suttle

University of British

Columbia

Department of Earth and

Ocean Sciences

Environmental Virology - Discovery, Diversity and Function

第二节 海洋细菌

1、定义与特征

海洋细菌是指那些只能在海洋中生长和繁殖的细菌。

海洋细菌具有三个基本特征：

（1）至少在开始分离和初期培养时要求生长于海水培养基中；

（2）生长环境中需要氯或溴或其中之一元素存在；

（3）需生活于镁含量较高的环境中。

海洋中所有的细菌门

2. 新陈代谢类型

自养细菌：光能自养，化能自养

根据所需营养物质的性质

异养细菌：海洋细菌的最大类群

好氧细菌

根据对氧气的需要 兼性厌氧细菌

厌氧细菌

大多数海洋细菌是兼性厌氧细菌，专性好氧细菌和专性厌氧细菌都比较少见。

3 特性 （1）嗜盐性

（2）适冷性

（3）适压性

（4）低营养性

（5）趋化性与附着生长：

大多数海洋细菌具有运动能力

运动方式 ：swimming, swarming等

（6）发光性：少数海洋细菌具有发光特性

发光杆菌属（Photobacterium)

射光杆菌属（Lucibacterium)

4. 在海洋中的比例

5.重要的海洋细菌类群介绍：

1. 海洋中丰度最高的细菌类群—SAR11群 早在1990年，就已在马尾藻海中得到属于α-

变形菌的该类群的rRNA序列，此后在全世界各海区被广泛发现且有很高丰度，被称作SAR11

群。

SAR11 类群的分类地位-- Pelagibacterales is

an order in the Alphaproteobacteria

Alphaproteobacteria class

• SAR11 分为7个亚簇

• 代表性菌株：HTCC1002, 1062（最有代表性），9565,

7211，1013（图中未列），HIMB5约6株，HIMB114, HIMB59与它们均关系较远，不太典型。分离的与这些菌株的相似菌（16S

序列仅几个碱基差别的）还有很多。

遍在远洋杆菌(Pelagibacter ubique)---目前发现的最小的营自由生活的细菌

P. ubique has the smallest number of genes (1354 open reading frames) for any free-living organism.

长度0.37 - 0.89 µm，直径0.12 - 0.20 µm

直到2002年，才由Rappé等人通过高通量培养的方法分离得到首批纯菌株（HTCC1062），并被命名为Pelagibacter

ubique。2005年，其基因组序列被报道。目前，已培养的至少有13株。

1. 遍在远洋杆菌的分类地位

界：Bacteria（细菌界）

门：Proteobacteria（变形菌门）

纲：Alphaproteobacteria（α-变形菌纲）

亚纲：Rickettsiales（立克次体亚纲）

目：Pelagibacterales（即“SAR11群”）

科："Pelagibacteraceae"（即“次类群Ia”）

属：Pelagibacter（远洋杆菌属）

种：Ca. P. ubique（遍在远洋杆菌）

1. 遍在远洋杆菌的分类地位

• 远洋杆菌属是次类群Ia

的模式属。

• 远洋杆菌属目前仅包括遍在远洋杆菌一个种。

• 已培养的至少有13株，包括HTCC1002,

HTCC1062，HTCC9565,

HTCC7211等。

SAR11群

次类群Ia 远洋杆菌属

立克次体亚纲

1. 遍在远洋杆菌的分类地位

• 遍在远洋杆菌的属名Pelagibacter由拉丁语的阳性名词pelagus（“海”）和后缀-bacter（“细菌”）构成。

• 遍在远洋杆菌的种加词ubique是一个拉丁语副词，意为“遍布”。

• 遍在远洋杆菌的学名Candidatus Pelagibacter

ubique中的Candidatus表示这是一个暂定名。

• 遍在远洋杆菌在2002年由Rappé等人通过高通量培

养的方法分离得到首批纯菌株，并被命名。但此名称直到目前仍未被根据细菌命名法则的规定有效发表。

2. 遍在远洋杆菌的形态特征

• 遍在远洋杆菌呈杆状或月牙状，革兰氏阴性，长度0.37-0.89 µm，直径只有0.12-0.20 µm，是已知最小的可以不通过寄生而自我繁殖的生物之一。

• 细胞的体积的30％被它的基因组占用。

3. 遍在远洋杆菌的基因组特征

在所有不通过寄生而自我繁殖的生物中，遍在远洋杆菌具有最小的基因组，1,308,759 bp, 1,389个基因。

3. 遍在远洋杆菌的基因组特征

• 遍在远洋杆菌具有严格精简化（streamlined）

的基因组。它的基因组中没有假基因、内含子、转座子、染色体外遗传因子和内含肽。旁系同源基因的数量很少。它的基因间隔区也是已知最短的。

• 遍在远洋杆菌的基因组中A和T所占的比例很高，约70.3%，因此含有更少的氮元素。

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

• 遍在远洋杆菌不能固定游离的碳和氮元素，但可以通过乙醛酸途径进行TCA循环。

• 遍在远洋杆菌可以合成全部20种氨基酸，以及绝大多数辅助因子。

• 因此，遍在远洋杆菌是一个不通过寄生而自我繁殖的生物（free-living organism）。

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

遍在远洋杆菌的培养方法

除了常规成分外，培养基还包含还原硫、甘氨酸、丙酮酸和多种维生素。

"Nutrient requirements for growth of the extreme oligotroph '"Candidatus" Pelagibacter

ubique' HTCC1062 on a defined medium".

Carini, Paul, et al. (2012). ISME J. 7: 592–602. doi:10.1038/ismej.2012.122.

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

• 遍在远洋杆菌的代时为29小时。对于一种数量如此庞大的细菌，这个代时显得很长。

大肠杆菌

巨大芽孢杆菌

乳酸链球菌

乳酸链球菌

金黄色葡萄球菌

嗜酸乳杆菌

日本根瘤菌

结核分枝杆菌

苍白密螺旋体

几种常见细菌的代时

遍在远洋杆菌：1740分钟

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

• 调控遍在远洋杆菌生长的关键因素很大程度上尚不明确。已知它们的生长需要氮、磷酸盐和铁。

• 遍在远洋杆菌的生长还需要还原硫，这一需求在微生物中并不常见。

• 硫是一种细胞中的常量元素，存在于蛋氨酸（甲硫氨酸）、半胱氨酸和胱氨酸，以及其他有机小分子中。几乎所有好氧海洋细菌都能还原硫酸盐以同化其中的硫。但研究发现遍在远洋杆菌需要已还原的硫化物，如蛋氨酸或二甲基巯基丙酸（DMSP）才能生长。

"SAR11 marine bacteria require exogenous reduced sulfur for growth".

H. James Tripp, et al. (April 2008). Nature. 452 (7188): 741–4.

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

• 几种非编码RNA也在遍在远洋杆菌中被发现。

• 非编码RNA（non-coding RNA），缩写ncRNA，是指各种不翻译成蛋白质的RNA分子。狭义的非编码RNA通常不包括tRNA和rRNA。ncRNA广泛参与着细胞内基因表达的调控。

• 遍在远洋杆菌中的一种ncRNA是一种保守的，甘

氨酸激活的，作用于苹果酸合酶的核糖开关。当生长环境中含有甘氨酸或甘氨酸前体时，遍在远洋杆菌不再表达相关的酶，以节省能量。

“Unique glycine-activated riboswitch linked to glycine-serine auxotrophy in

SAR11”. H. James Tripp, et al. (January 2009).Environmental

Microbiology. 11 (1): 230–8.

4. 遍在远洋杆菌的生理特征

• 遍在远洋杆菌还拥有视紫红质（proteorhodopsin）基因，它可以辅助驱动

光介导的质子泵。在光下和暗处培养时，这一基因的表达量有很大区别。在暗处培养时，更多与氧化磷酸化相关的基因得到表达。

"Energy Starved Candidatus Pelagibacter Ubique Substitutes Light-Mediated

ATP Production for Endogenous Carbon Respiration".

Steindler Laura, et al. PLOS ONE. 6 (5): 9999.

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• SAR11群的成员在世界多地的淡水和海水中处优势地位。

• 遍在远洋杆菌和其亲属可能是海洋中数量最多的有机体，因此也可能是世界上数量最多的细胞。

• 它可占所有浮游微生物细胞的约25％，在夏季可以占存在于温带海洋表层水中的细胞的大约一半。远洋杆菌属和其亲属的总丰度估计为约2×1028个细胞。

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• 遍在远洋杆菌是一种寡营养菌。

• 在海水流动不强而生态系统代谢旺盛的海域，100~1000米深处

的水体中的氧气会被完全耗尽。这一段深度被称为缺氧区（OMZ)。

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• 在缺氧区，将硝酸盐还原为亚硝酸盐是微生物降解有机物的首选方法。这个过程需要一些由特殊基因(nar)编码的酶。

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• 宏基因组研究表明，nar

基因有许多分支，其中多数来自SAR11群。

• 使用SAR11的nar操纵子

转化后的大肠杆菌可以在原本无法存活的缺氧环境中存活。

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• 遍在远洋杆菌具有生产甲烷的能力。

• 世界上绝大多数富氧海域的表层溶解着饱和的甲烷——一种效果20倍强于二氧化碳

的温室气体。但这些甲烷的来源在很长时间内并不为人所知。

• 俄勒冈州立大学（Oregon State University）

的研究表示，遍在远洋杆菌的某些菌株在缺乏磷时，可以分解甲基膦酸，利用其中的磷，释放出甲烷。

遍在远洋杆菌与气候变化

遍在远洋杆菌具有二甲基硫丙酸盐（DMSP）降解为二甲基硫（DMS）和丙烯酸的能力

5. 遍在远洋杆菌的生态特征

• 遍在远洋杆菌是分解者，可以利用溶解在海水中的有机碳和氮。由于其数量十分庞大，遍在远洋杆菌在全球碳、氮循环中扮演着重要角色。

• 但是，关于SAR11还有很多很多需要研究。

2、光合细菌

（1）不产氧的光合细菌

分布在变形菌门、绿菌门、绿屈挠菌门、厚壁菌门，共17科，70多个属。

紫硫细菌、紫色非硫细菌（红螺细菌）、玫瑰杆菌、赤杆菌、绿硫杆菌，

色素：菌绿素、类胡萝卜素

玫瑰杆菌类群（Roseobacters）

• 海洋中丰度第二的类群

• 其在海洋中的生态作用尚不完全清楚。

• 与赤潮有关，对甲藻毒素的形成有作用

• 在海洋营养物质循环中起重要作用

• 如将二甲基硫丙酸盐（DMSP）降解为二甲基硫（DMS）和丙烯酸

（2）产氧的光合细菌---蓝细菌

鱼腥藻、微囊藻、螺旋藻、

束毛蓝细菌（具有固氮能力）、

原绿球蓝细菌

聚球蓝细菌 为海洋食物链提供15-40%的碳源

3. 化能自养菌

（1） 硝化细菌：包括：亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、

硝化杆菌属、硝化球菌属、硝化螺菌属等，

氨氧化菌（亚硝化细菌）、亚硝酸氧化菌（硝化细菌）、亚硝酸还原菌。

以氨或亚硝酸盐为电子供体，固定二氧化碳

最大的原核生物之一（100-300um)

（2）硫氧化性化能自养菌：

硫杆菌属、贝氏硫菌属、发硫菌属、珍珠硫菌属等

以硫化氢、硫或硫代硫酸盐为电子供体。

（3）氢氧化性细菌：

变形杆菌、产碱杆菌等

可异养生长，也可自养生长

以氢为电子供体，固定二氧化碳

（4）好氧性嗜甲烷菌

甲基营养菌、甲基单胞菌、

甲基杆菌等

以甲烷或一碳化合物为碳源和电子供体

5、弧菌：研究最多的海洋细菌

2005年，《伯杰氏系统细菌学手册》第二版，63种。

• 病原性海洋弧菌：

感染人类：霍乱弧菌、副溶

血弧菌、创伤弧菌

感染海洋动物：溶藻胶弧菌、鳗弧菌、溶珊弧菌、哈维氏弧菌、牙鲆肠弧菌、霍乱弧菌、副溶血弧菌、病海鱼弧菌、杀鲑弧菌、杀扇贝弧菌、徐氏弧菌(Vibrio xuii)、帕希尼氏弧菌(Vibrio Pacinii)等等。

发光弧菌：密度感应（quorum

sensing, QS)与发光控制

6、趋磁细菌（Magenetotactic bacteria)

能沿着磁力线运动，

胞内含有 Fe3O4 或Fe3S4 组成的磁小体。

磁小体包被脂质生物膜，超顺磁性

应用：

分子生物学研究、

靶向药物开发、

疾病早期诊断试剂、

肿瘤磁热疗、

核磁共振成像对比剂、环境分子监测平台和信息记录材料、

航空头盔密封件的密封材料等 。

7、假单胞菌、假交替单胞菌、交替单胞菌和希瓦氏菌

在海洋中广泛分布的异养菌，

产生分泌各种蛋白酶类、和各种多样有机质降解酶类

在有机物的分解中发挥重要作用。

8、极端嗜热菌 产液菌属（化能自养，最高生长温度：95度）、

热袍菌属（化能异养，最适生长温度：55-95度）

进化地位

分布

生态作用

应用潜力

9、革兰氏阳性菌

（1）厚壁菌门（Firmicutes）

a. 芽孢产生菌: 芽孢杆菌属、梭菌属

b. 其它属：葡糖球菌属、乳杆菌属、李斯特氏菌属等。

C.费氏刺骨鱼菌:

海洋最大细菌

（600 μm× 80 μm)

在棘鱼消化道共生

还未获纯培养

（2）放线菌门

目前能分离到的海洋放线菌有：

灰色放线菌（Actinomyces grisus）、球孢放线菌（A. globisporus）、海洋诺卡氏菌（Nocardica marina）、

大西洋诺卡氏菌（N. atlantica）、 海分枝杆菌（Mycobacterium marinum）、 嗜盐小单胞菌（Micromonospora halophytica）等。

特征：产生多种活性物质，特别是抗生素。

有些是水产养殖动物的致病菌。

能产生胞外酶，在海洋物质循环中起重要作用。

我国对海洋细菌的研究 上海交通大学

肖湘：深海嗜冷嗜压细菌

李志勇：海绵共生细菌

山东大学

张玉忠：海洋与极地细菌酶学、生物化学、环境适应机制。

国家海洋局第三研究所

邵宗泽：海洋污染物的微生物降解

陈新华：海水养殖动物病原微生物及免疫

中国海洋大学

张晓华：海水养殖动物病原弧菌

池振明：海洋微生物

中科院海洋研究所

孙犁：海水养殖动物病原微生物

国家极地研究中心

陈波：极地微生物

焦念志 院士

厦门大学近海海洋环境国家重点实验室副主任

山东大学青岛校区海洋学院院长

研究方向：海洋微型生物生态

学科专长：海洋微型生物学与分子生态学、海洋生态学、流式细胞学、海洋资源与环境学

方家松

上海海洋大学教授

Research Interests：

use molecular and isotopic

signatures to study current topics in

biogeochemistry, environmental

geochemistry, chemical

oceanography, microbial ecology,

and astrobiology.