海洋微生物的光合作用

这是一篇关于海洋微生物的光合作用的思维导图，介绍了定义、海洋光合微生物、海洋产氧光合微藻、蓝细菌的光合作用、分布及作用。

光合作用

• 定义
  • 指自然界中绿色植物和光合微生物利用光能将CO2等转变为有机物，并释放O2或S等物质的过程。
• 海洋光合微生物
  • 定义
    • 指生活在海洋中能够进行光合作用的微生物。
  • 分类
    • 海洋产氧光合微生物
      • 真核类
        • 真核微藻、原生动物（如夜光虫
      • 原核类
        • 光合细菌(蓝细菌)
          • 聚球藻属
            • 光合场所
              • 无叶绿体，类囊体是其光合作用场所，类囊体具有单层膜结构，数量众多，平行或卷曲，分布在细胞膜附近。
            • 色素
              • 藻胆素：蓝细菌和真核红藻所特有的捕捉光能的色素蛋白，在光合作用中起辅助色素的作用。包括藻红素、藻蓝素、别藻蓝素3种。藻胆体：在类囊体表面规则排列的由藻胆素聚集成的颗粒，在光合作用中只起吸收和传递光能的作用。
            • 分类
              • MC-A(marine cluster A)，含藻红蛋白，（G+C）含量为55~62%，其生长需要高盐环境；在近海和大洋的透光层数量丰富；
              • MC-B (marine cluster B)，含藻蓝蛋白，不含藻红蛋白，（G+C）含量为63~69.5%， 耐盐但不要求高盐生长；多见于近岸；
              • MC-C (marine cluster C)，以其（G+C）含量低（47.5~49.5% ）为显著特点，包括半咸水或近岸海水的菌株，至今对其研究尚不深入。
          • 原绿球藻属
            • 原绿球藻是迄今发现的地球上最小的放氧型光合自养原核生物。
            • 特殊色素
              • 二乙烯基叶绿素：原绿球藻特有的色素，又称叶绿素a2 、b2，是原绿球藻主要的光合色素。该色素的特点是更能有效利用真广层底部微弱的光进行光合作用。
    • 海洋不产氧光合微生物
      • 不产氧光合细菌
        • 是一个在形态、生理和系统上多样化的类群。
        • 分类
          • 厌氧不产氧光合细菌
          • 需氧不产氧光合细菌
        • 光合作用场所：载色体，呈小泡状或成对的板层，能在厌氧光照条件或微氧黑暗条件下利用有机物或H2S作供氢体兼碳源进行不产氧光合作用。光合色素：细菌叶绿素Bchl（a、b、c、d、e）和类胡萝卜素。细菌叶绿素为含镁的卟啉衍生物，每种都有固定的光吸收波长。随光合色素种类和数量的不同，菌体呈现不同颜色
      • 极端嗜盐古菌
        • 生活在含NaCl 15%以上的高盐环境，最适盐浓度为25%~30%。
        • 光合色素：无叶绿素和细菌叶绿素，细胞膜含有类胡萝卜素而发红，称为红膜。紫膜：缺氧条件下红膜呈现紫色斑块称为紫膜，紫膜中存在的色素为细菌视紫红质，细菌视紫红质与叶绿素相似。
• 海洋产氧光合微藻和蓝细菌的光合作用
  • 光反应
    • 将太阳能转化成化学能ATP和还原NADPH的过程，必须在光照下进行，实质是光能转变成化学能
    • 过程
      • 原初反应:
        • 光能的吸收、传递和转换成电能
        • 其实质是由光引起的反应中心色素分子的氧化还原反应（过程）。
        • 电子供体是H2O，电子受体是NADP+
      • 电子传递:
        • 指定位在类囊体膜上的，由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z”形。
      • 光合磷酸化
        • 光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应
        • 特点
          • 与非循环式电子传递偶联产生ATP的反应。在有氧条件下进行；有PSI和PSII两个光合系统，含有叶绿素a和b；产物除ATP，还有NADPH和O2；
    • 涉及结构
      • 光系统
        • 分类
          • PSⅠ
            • 集光色素蛋白复合体、光合反应中心、细胞色素Cytf、质体蓝素PC、铁氧还蛋白FD
            • 不产生氧，最终产生NADPH
          • PSⅡ
            • 集光色素蛋白复合体、光合反应中心、放氧复合体、质体醌PQ
            • 将水裂解成氧和电子
        • 组成
          • 集光色素蛋白复合体（LHC
            • 又叫聚光色素复合体，是由聚光色素和12条多肽链组成的能够捕获光能的跨膜复合体。
              • 聚光色素：包括大部分chla 和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素，没有光化学活性，只有吸收光能、传递光能到光合反应中心的作用
          • 光合反应中心
            • 是由反应中心色素和若干蛋白组成的色素蛋白复合体。
              • 反应中心色素：少数特殊状态的chl a分子，它具有光化学活性，是光能的“捕捉器”、“转换器”。既能捕获光能，同时也能吸收聚光色素传递的光能，还能将光能转化成化学能。
          • 电子传递链
  • 暗反应
    • 利用ATP和NADPH将CO2等还原成碳水化合物的过程，不需光照
• 海洋不产氧光合细菌的光合作用
  • 特点
    • 仅有PSI光合系统；反应中心色素为细菌叶绿素；循环光合磷酸化，用于产生ATP, 以紫硫细菌为例P75；海洋不产氧光合细菌的碳同化途径具有多样性。
• 海洋光合极端嗜盐古菌的光合作用
  • 结构基础：紫膜，细菌视紫红质；机理：紫膜光合磷酸化，环境低氧、合成紫膜（细菌视紫红质）、视黄醛构象变化、质子转运、质子梯度形成、化学渗透提供能量、合成ATP。
• 分布
  • 真核微藻
    • 水平分布
      • 营养盐
        • 真核微藻在海岸的丰度大于大洋； 丰水期丰度大，枯水期丰度小。
      • 水流
        • 上升流、湍流区水域中营养盐物质丰富，真核微藻丰度较大。
    • 垂直分布
      • 水体
        • 不同真核微藻对光强的要求不同，导致他们的垂直分布不同；绿藻一般生活在海水表层，褐藻次之，硅藻则分布在整个透光层。根据对光强要求的不同，分为喜光微藻和适阴微藻。
      • 沉积物
        • 在含有沙粒的沉积物中多于泥泞的沉积物中；
    • 季节分布
      • 温带海域，双峰模式，春、秋季节；寒带海域，单峰模式，一个繁殖高峰，夏季；热带海域，无明显季节差异。
  • 海洋产氧光合细菌
    • 聚球藻
      • 水平分布
        • 耐低温； 热带、温带、寒带； 富存于低纬度，高纬度被真核微藻代替；25m以上海域；富营养或中营养；
      • 垂直分布
        • 聚球藻在水深100m时几乎消失
    • 原绿球藻
      • 水平分布
        • 不耐低温； 南北纬40°之间，南北纬40°之外急剧下降 100-200米水深；热带、亚热带海域；寡营养；
      • 垂直分布
        • 而原绿球藻在0-200米均有分布
        • 原绿球藻高光适应型主要存在于混合层的上部，低光适应型主要在温跃层以下。
  • 厌氧不产氧光合细菌
    • 受氧抑制，被限制在缺氧区域，如缺氧的水域和沉积物中；以紫细菌为优势菌群；
  • 需氧不产氧光合细菌
    • 绝大多数已知的 AAP 细菌皆由有机质丰富的小生境中分离得到，如海滩沙地、热带地区的高潮带、成熟的蓝细菌群体、绿藻的表面、深海热液口等； 现研究发现， AAP 细菌分布于全球各海洋的真光层中。不仅存在于营养盐丰富、特定的生境中，而且还广泛分布于全球海洋的表层水域，其生物量至少占整个微生物群落的 11 ％；
• 作用
  • 海洋初级生产：海洋初级生产者（自养生物）通过光合作用或化学合成来制造有机物的过程。光合作用是主要的初级生产方式。海洋初级生产力指海洋初级生产者制造有机物的速率，通常以每天或每年单位面积内所产生的碳量来表示。 海洋溶解氧的来源之一光合作用产生氧气。 水体中的天然饵料海洋光合微生物自身营养价值高，是水体中的天然饵料。实践证明，水体中光合细菌越多，浮游动物生长繁殖越旺盛,以浮游动物为食的水产养殖业增产效果也就越明显,如虾、蟹、花鲢、河蚌等。