Marine microbes (해양미생물)

Marine microbes Microbes: Invisible to the naked eye Virus, 단세포생물, fungi 등을 포함 One-celled organisms: Bacteria Micro-algae (미세조류): diatoms, dinoflagellates (phyto-plankton) Protozoans (원생동물): ciliates, amoeboid (Zoo-plankton) 대부분의 marine fungi는 단세포 또는 microscopic Marine microbes는 해양에서 다양한 역할 Producer, consumer, decomposer, parasite 보이지 않지만 해양에서 가장 수가 많은 생물체

Marine viruses (해양바이러스) 최근에 연구됨 1900년도 중엽: 최초로 marine viruses가 감염된 marine bacteria에서 발견 1970년대: Eukaryotic hosts 내의 virus가 보고됨 1980년대: 해양에 virus가 얼마나 풍부한지 인지함 More abundant than any other organism in the sea 1990년대: 해양생태계에서 marine virus의 기능을 이해하기 시작

Marine viruses Host cells 내에서만 reproduction이 가능 Virus의 기원 Living cells에서 기원되었다고 봄 1. highly reduced prokaryotic parasites 2. cell에서 방출된 genes 모든 groups의 living organisms을 감염시킴 Marine virus abundance Marine prokaryotes보다 10배정도 많음 1010 virions/liter in surface waters 1013/ kg of sediments

Marine viruses의 역할 Marine virus의 역할 해양에는 매우 다양한 virus가 존재함 One sample of ocean water or sediment 100 – 10,000 different viral genotypes Marine virus의 역할 주로 hosts의 lysis (용해)와 관련되어 있음 Lysis의 결과: cell death Bacteria나 다른 marine 미생물의 수를 조절 Plankton의 diversity가 virus에 의해 유지될 수 있음 Red tide (적조)와 같은 algal bloom (주로 한종의 bloom)이 viral infection에 의해 사라질 수 있음 Lytic cycle (용해성주기) and Lysogenic cycle (용원성주기) 동시에 사멸될 수 있음 Global climate change에 관여 일부 photosynthetic microbes의 lysis 시 greenhouse gas (dimethyl sulfide) 방출

Marine bacteria (해양박테리아) Primary producers (일차생산자) Decomposers (분해자) Agents in biogeochemical cycles (C or N cycles) 다른 해양생물의 먹이 Modifiers of marine sediments Symbionts and pathogens (agents of disease) Marine bacteria의 주요 형태 Rod shape: bacillus Spherical shape: coccus Size Smallest: about 200 nm (0.2 μm) Largest: 750 μm diameter (0.75 mm)

Marine bacteria Other marine bacteria는 heterotrophs 일부 marine bacteria는 일차생산자 (primary producers) Autotrophs Inorganic nutrients를 흡수 Photo-autotrophs or chemo-autotrophs Photosynthesis (광합성) or chemosynthesis (화학합성) Other marine bacteria는 heterotrophs Organic molecules를 섭취 외부의 유기물을 cell wall과 membrane을 통해 흡수: Osmotrophy (삼투영양) 외부의 유기물이 큰 경우 exoenzymes (세포외효소)을 분비, 외부에서 분해 이 경우 heterotrophic bacteria는 decomposers (분해자) 일부 유기물은 bacterial biomass로, 일부는 inorganic molecules로 분비됨 (primary producers에 의해 이용됨)

Cyanobacteria (남세균) Cyanobacteria의 photosynthetic activity 가장 널리 알려진 marine bacteria photosynthetic marine bacteria Blue-green bacteria or blue-green algae (남조류) The smallest and the most productive bacteria in plankton communities (plankton 중 가장 작지만 가장 생산성이 높은 bacteria) Cyanobacteria의 photosynthetic activity 해양의 유기물 및 산소 생산에 중요하게 기여함 Photosynthetic pigments Chlorophyll a, in some chlorophyll b Accessory pigments: Carotenoids (betacarotens, xanthophyll) and phycobilins (phycoerythrin, phycocyanin) Eukaryotes와 유사 대표종 (속) Prochlorococcus Synechococcus Oscillatoria

Genus of cyanobacteria Prochlorococcus 바다에서 가장 많이 존재하는 생물체로 알려짐 지구상에서 가장 풍부한 photosynthetic organism 아마도 지구상에서 가장 풍부한 생물 종: 1027 individuals 지구상에서 가장 작은 photosynthetic organism: 0.5 – 0.8 μm Only species of the genus (단일종) Prochlorococcus marinus 1986년에 처음 발견 First culture: 1988

Genus of cyanobacteria Prochlorococcus Non-nitrogen fixing cyanobacteria (질소고정을 하지 않음) 열대의 nutrient-poor open ocean에 잘 적응: How? 작은 크기, 따라서 높은 표면적 비율: nutrient가 부족한 환경에서 유리 (Their small size, and therefore large surface-to-volume ratio, gives them an advantage in nutrient poor water) 적은 양의 nutrient를 요구 (They have a very small nutrient requirement) 열대 ocean의 primary production 의 30-80%를 차지 지구 대기 산소의 약 20%를 생산

Prochlorococcus

Genus of cyanobacteria Oscillatoria important in the tropical open ocean 세포들의 chain인 single long filaments 형태: colony (군체) 형성 N2 fixation을 할 수 있음 따라서 질소가 부족한 열대지역에서 많이 분포함

Oscillatoria

Oscillatoria

Genus of cyanobacteria Synechococcus No nitrogen fixation Picoplankton size (0.2 – 2 µm) 열대 및 온대지역, both coastal and oceanic waters의 euphotic zone에 주로 분포 Synechococcus: nutrient-rich areas Prochlorococcus: nutrient-poor areas Synechococcus의 밀도: 106 cells ml-1까지 분포 바다에서 주요 primary producer

Synechococcus

Other Photosynthetic Bacteria Purple and green sulfur or non-sulfur bacteria Anaerobic (혐기성), 산소가 풍부한 환경에서 살 수 없음 O2를 생산하지 않음 Primary photosynthetic pigments bacteriochrorophylls Sulfur bacteria 물 대신, hydrogen sulfide (H2S), sulfur (S)를 이용하므로 광합성에 의한 산소 발생이 없음 Electron donor Non-sulfur bacteria hydrogen (H2), 작은 유기분자를 Electron donor로 이용 빛이 풍부하고 산소가 없는 환경에 주로 분포 육상에서는 찾아보기 힘듬

Other Photosynthetic Bacteria Chlorophyll a Bacteriochlorophyll a

Chemosynthetic Bacteria 대부분의 해양 waters 나 sediments에는 빛이 비치지 않음 일부 bacteria는 빛이 없는 환경에서도 autotrophic (Chemosynthetic bacteria) Energy source 로 빛 대신 환원된 inorganic chemicals을 이용 Ammonium (NH4+), sulfides (S2-), sulfur, nitrites (NO2-), hydrogen (H2), ferrous ion (Fe2+)를 이용 CO2 + O2 + H2O + reduced inorganic compounds  CH2O + oxidized inorganic compounds Chemosynthesis는 photosynthesis보다 훨씬 효율이 낮다 매우 많은 양의 reduced inorganic compounds 가 없으면 생장속도가 매우 느림 Chemosynthetic bacteria는 hydrothermal vents (열수구) 주변에 많이 분포

Heterotrophic Bacteria Heterotrophic bacteria는 decomposers (분해자) 주변의 유기물질로부터 필요한 energy와 물질을 얻음 이들의 호흡에 의해 inorganic chemicals이 환경으로 되돌아감 분비된 inorganic chemicals을 primary producers들이 이용 일부 heterotrophic bacteria는 플라스틱이나 artificial polymers를 분해할 수 있음 바다에 이러한 물질이 축적되는 것을 방지 (정화) 대부분의 바다 속 유기물들은 이들에 의해 즉시 분해됨 Exoenzymes 분비 시 점액질의 물질 (mucilage)을 같이 분비하여 exoenzymes이 씻겨 없어지는 것을 방지

Symbiotic Bacteria 많은 bacteria 들이 해양생물과 symbiotic relationship (공생관계)을 가짐 In deep sea vent communities (열수구 동물군집) chemosynthetic bacteria 들이 tube worms이나 clams과 공생 Bacteria 들은 chemosynthesis를 통하여 organic molecules 을 host에 공급 Hosts 는 CO2와 nutrients를 공급 Another example Bioluminescent bacteria 와 해양동물과의 공생 Luminescent squid: 먹물주머니에 bacteria 서식 Seasquirt, fish: Photophore (발광포; 빛을 내는 발광기관)에 서식 Predator (포식자)나 prey (피식자)를 혼동 시킴

연안에 Firefly squid (반딧불오징어)가 몰려 있음 tentacle에 photophore (발광포) Bioluminescent bacteria 서식 빛으로 작은 물고기를 유인하여 잡아먹음

Marine fungi 전체 fungi 의 1% 이하가 해양에 서식 해양생태계에서 역할 Decomposers, prey, pathogens, symbionts 최초의 marine fungi 발견: 1849 염생식물이나 mangrove의 표면에서 많이 발견됨 Fungi 의 일반적 특성 All heterotrophs Cell wall: chitin (갑각류와 유사) Food reserves: glycogen (animal starch) Aerobes (산소가 없는 곳에서는 거의 발견되지 않음)