海洋生物学2015年期末考试题-加备注.doc

2015年海洋生物学期末考试题1. 简述海洋微生物多样性及其在海洋中的作用（20分）。一 海洋微生物多样性1. 物种多样性：海洋中存在的微生物包括病毒、细菌、古菌和真核微生物，随着海水深度的增加，海洋环境微生物的物种丰度和数量呈递减的趋势。在表层海水或近岸沉积环境，海洋微生物的数量达106109个/ml，而在大于1000米水深的深海环境，微生物数量约在103个/ml，未知类群SAR11和古菌GroupI（Crenarchaeota）是海洋环境中分布最广泛类群。病毒主要有肌尾噬菌体科、长尾噬菌体科、微噬菌体科、光滑噬菌体科等；海洋细菌门有变形菌门、消化螺旋菌门、革兰氏阳性细菌、蓝细菌门、衣原体门等；海洋古菌有广域古菌门、泉生古菌门、初生古菌门和纳米古菌门；海洋真核微生物有原生动物（微型浮游鞭毛类、纤毛虫、放射虫等）、真核微藻（硅藻、甲藻）。2. 遗传多样性：目前已完成或正在进行测序的海洋水体环境中的原核生物基因组有227个，深海热液区27个，海洋病毒27个，涵盖了嗜高温、嗜酸、耐高压、耐低压等各种极端环境微生物,。通过对近缘物种的基因组进行比较，发现海洋微生物菌株与菌株间的基因组大小和基因容量的差异较大，例如灿烂弧菌（Vibriosplendidus）不同菌株间的基因组大小差异高达20%。3. 代谢多样性：海洋微生物的代谢途径和机制具有多样性，海洋微生物的全基因组测序表明了在微生物体内存在多条不同的次生代谢途径，这是它们能够产生众多新颖次生代谢产物的遗传基础，但绝大多数的海洋微生物的代谢途径仍然基于I型聚酮合成酶（PKS）、II型聚酮合成酶和非核糖体肽合成酶（NRPS）以及PKS/NRPS。二 海洋微生物作用1. 在海洋碳循环中有重要作用：海洋是地球上最大的活性碳库，含碳量是陆地生物圈的23倍，是大气的47倍。海洋浮游生物固定全球一半的CO2, 原绿球蓝细菌和聚球蓝细菌在海洋中分布广且密度大，为海洋食物链提供15%-40%的碳源。2. 在海洋氮循环中有重要作用：分子生物学技术分析表明在海洋中存在各种各样的固氮菌，厌氮菌、固氮菌、蓝细菌、光合细菌通过固氮作用将氮气转化为有机氮，海洋异养细菌、放线菌、真菌通过氨化作用将有机氮转化为氨，亚硝酸细菌、硝酸盐细菌通过硝化作用将氨转化为硝酸盐和亚硝酸盐，反硝化细菌通过反硝化作用将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气或氨。3. 在海洋硫循环中具有重要作用：贝氏硫细菌、硫杆菌属等通过氧化作用将硫转化为硫酸盐，硫酸盐又在链孢霉属作用下转化为含硫氨基酸，含硫氨基酸可在无色杆菌属作用下转化为硫，也可在埃希氏杆菌属、气杆菌属作用下转化为硫酸盐，去硫弧菌属通过还原作用将硫转化为硫化物，硫化物可在埃希氏杆菌属、变形杆菌属、气杆菌属作用下转化为含硫氨基酸。DMSP的裂解能够产生气态的DMS释放到大气中。空气中的DMS会被氧化成DMSO和硫酸根离子。形成的DMSO和硫酸根离子可做为云雨的凝结核CCN。在凝结核CCN的作用下水蒸气聚集形成云雨。云雨的形成提高了地球大气的反射率，导致了反温室效应的产生。每年海洋微生物降解DMSP产生的DMS多达3亿吨，因此而产生的反温室效应足以对地球宏观环境产生巨大的影响。4. 在海洋磷循环中具有重要作用；5. 在海洋其他元素循环和矿物质循环中有重要作用；6. 是海洋中各元素循环的联系者。2. 我国重要的经济藻类有哪些？请简述其经济价值（20分）。我国重要的经济藻类主要有螺旋藻、发菜、硅藻、紫菜、石花菜、江蓠、海萝、角叉菜、海带、裙带菜、石莼、小球藻、盐藻、浒苔等。经济价值：1. 食用：有些藻类在我国是普通的食品。人们常食用的蓝藻有葛仙米、发菜、海泡菜；绿藻有溪菜、刚毛藻、水绵、石莼、礁膜、浒苔、海松；褐藻有鹅肠菜、海带、裙带菜、羊栖菜、鹿角菜；红藻有紫菜、海索面、石花菜、海萝、麒麟菜、鸡冠菜、江篱等。藻类营养价值很高，含有大量糖、蛋白质、脂肪、无机盐、各种维生素和有机碘。有些藻类中含有较高的蛋白质，如亚洲一些国家用作蔬菜的麒麟菜属、叉枝藻属、江篱属等的红藻藻体中，含有2040%的高蛋白；中部非洲湖泊中产有大量螺旋藻属的含有50的蛋白质，当地人收集后晒干，做糕点食用；晒干的紫菜含有2535%的粗蛋白和50%的糖，在糖中，有2/3是可溶性能消化的五碳糖。海藻还含有许多盐类，特别是碘盐，如海带属的碘含量为干重的0.080.76%，在灰分中还含有大量的钠盐和钾盐。海藻还是维生素的来源，含有维生素C，D，E和K。在紫菜中，维生素C的含量为柑橘的一半。各种海藻的化学分析证明，它们还含有丰富的微量元素，如硼、钴、铜、锰、锌等。2. 藻类在农业上的应用藻类可作肥料。小湖、小河和池塘中的藻类，大量死亡后，沉到水底，年年如此，在水底形成大量有机淤泥，农民挖掘用作肥料；农民还常打捞海藻和淡水藻类作为绿肥；居住在湖泊地区的农民常利用多种轮藻作肥料，因轮藻含有大量的碳酸钙；海洋沿岸的农民用海藻（主要是褐藻）作农田肥料，因海藻中含有比较多的钾元素。用藻类作肥料，还可减少农作物发生病虫害。利用有固氮作用的藻类固氮，以提高土壤的肥力。有人报道，在自然水体中，每平方米水面固氮量达0.040.29克纯氮。稻田区的蓝藻固氮量，每亩高达1.76.7千克纯氮。在一季稻生长期内，固定的氮量相当于7.515千克左右的硫酸铵。固氮蓝藻在生长期间除固氮作用外，还可不断地分泌出氨基酸、激素、糖等物质。有些藻类本身没有固氮能力，但由于它的存在，对土壤中微生物的生活却有很大的影响，它能促进固氮细菌增强固氮的能力。3. 藻类在工业上的应用藻类是许多工业上的原料。在褐藻和红藻中可提取许多物质，如藻胶酸、琼胶、卡拉胶、酒精、碳酸钠、醋酸钙、碘化钾、氯化钾、丙酮、乳酸等。藻胶酸是从褐藻中提取的，可制造人造纤维，这种人造纤维比尼龙有更大的耐火性。藻胶酸的可溶性碱盐，浓缩后，可作为染料、皮革、布匹等的光泽剂。琼胶和卡拉胶被广泛应用于食品、造纸、纤维板以及许多建筑工业上。硅藻大量死亡后，细胞内的有机物质分解，细胞壁仍保存，并沉积到湖底或海底，形成硅藻土。硅藻土疏松而多孔，容易吸附液体，生产炸药时用作氯甘油的吸附剂。又因它的多孔性而不传热，可作热管道、高炉、热水池等耐高温的隔离物质。在糖果工业上是最好的滤过剂，又是金属、木材的磨光剂。4. 藻类在医药上的应用从褐藻中提取的碘，可治疗和预防甲状腺肿。藻胶酸在牙科可作牙模型原料。藻胶酸钙盐制成人造羊毛，可作止血药。琼胶在医学上和生物学上可作各种微生物和小植物的培养基。琼胶还可通便，是一种有效的通便剂。琼胶和卡拉胶能抑制-型流感病毒和耳下腺炎病毒的繁殖。有些藻类如亚洲产的海人草和鹧鸪菜都有驱除蛔虫的作用。5. 消除污染，净化废水藻类在光合作用过程中放出氧气，能促进细菌的活动，以加速废水中有机物的分解。分解过程中所产生的二氧化碳，又可在藻类的光合作用过程中被利用或排除。有些单细胞藻类，如一种衣藻也能像有些细菌那样，在无氧的条件下，同化污水中的有机物，供自身需要。有些藻类对周围环境反应非常敏感，在水体中藻类植物群落组成的性质和数量，是由被污染的水中有机物的情况决定的。近年来，对淡水藻与水体污染之间的关系的研究，有很大的发展，不仅补充了水质化学分析的不足，而且被广泛用来评价、监测和预报水质的情况。有些藻类有吸收和积累有害元素的能力，它们体内所积累的元素，往往高于环境的数千倍以上，如四尾栅藻积累的铈和钇比外界环境高两万倍。有些有害元素还可以通过藻类体内的解毒作用和生理过程，而逐步降解和消除。3. 目前研究开发的海洋生物多糖有哪些？来源于哪些海洋生物？简 述海洋生物多糖的制备方法和结构分析方法（20分）。目前已开发的海洋生物多糖包括：1. 海藻多糖：来自钝顶螺旋藻的螺旋藻多糖，来源于羊栖菜的羊栖菜多糖、来自海带的海带多糖、来自褐藻的褐藻胶、来自亨氏马尾藻的硫酸多糖、来自鼠尾藻的鼠尾藻多糖、来自红藻的多脂硫酸酯，来自紫球藻的硫酸多糖。2. 海洋动物多糖：来自海洋无脊椎动物的甲壳素和壳聚糖，来自鲨鱼等鱼类的软骨素、鲨软骨酸性多糖.3. 海洋微生物多糖：产碱杆菌（Alcaligenes sp. ZW-3）分泌的威兰胶, 从海洋生物Flawbacteriumnosum的代谢产物中得到一种杂多糖mtan, 海藻表面生活菌FlawbacteriumugliginorinactanMP-55产生的,主要由葡萄糖、甘露糖和素角藻糖组成的中性杂多糖marinactan等。海洋多糖的制备方法：多糖的一般分离步骤 （1） 细胞内多糖的分离步骤脱脂 脱蛋白 植物体粉碎热水提取 过滤 滤液浓缩 醇沉 浓缩干燥 分部收集 洗脱 上柱分离 透析 （2） 细胞壁多糖的分离步骤 细胞壁碱化提取脱脂多聚半乳糖醛酸酶处理透析 浓缩干燥 分部收集 洗脱 上柱分离（3） 细胞外多糖的分离步骤 脱脂 植物体粉碎 水提取 醇沉 复溶 CTAB 或 CPC 沉淀 浓缩干燥 分部收集洗脱上柱分离 透析 复溶1. 多糖的提取多糖的品种繁多，但大多数结构相似，即是以氢键、盐键等与其他多糖或物质聚合在一起，因而分离方法大同小异。只要以各种有效方法破坏多糖链与其他物质的共价结合，就能达到提取多糖的目的。多糖中羟基较多，极性大，通常用不同温度的水、稀碱溶液或稀酸溶液提取，也有用稀弱酸（乙酸）或苯酚提取。 3.1水及中性盐溶液提取 此法较温和，适用于透明质酸等不含硫酸基多糖的提取。因为硫酸基经碱处理后容易发生 Walden 转化或形成 3，6-内醚衍生物而发生脱硫现象。 3.2碱溶液提取法 适用于多糖与蛋白质间结合型转化,早期用稀碱提取动物中的黏多糖。碱可分解肽键并且通过-消除反应除去多糖中 O-连接肽键。但一般需在较低的温度下进行，以防止破坏糖苷键及水解多糖链上的基团，如硫酸酯基、磷酸酯基等。 3.3酶解方法 酶法是通过酶反应将原料组织分解,加速有效成分的释放和提取,选择适宜条件将影响提取的杂质分解去除,促进某些极性低的脂溶性成分转化成糖苷类易溶于水的成分, 降低提取的难度。OurdiaBouzid 等人用酶能够专一地水解酚类化合物和多糖之间的酯键。Hauke Hilz 等人应用酶分离得到更多的果胶多糖。这种方法具有条件温和、易去除杂质、回收率高和节约能耗等优点, 因此, 酶法提取的应用前景十分广阔。由于酶具有专一性和选择性的特点, 应用时多采用复合酶。2. 多糖的分离 多糖粗提物含杂质较多，主要为氨基酸肽、蛋白质以及极性大的小分子和色素。 2.1蛋白质和多糖的分离 几乎所有的动物多糖都与蛋白质相连。多糖与蛋白质的结合不是物理或离子结合,而是共价结合。通常用 Sevag 法，三氟或三氯乙烷法和三氯乙酸法除去。前两种方法多用于微生物的提取，后一种方法多用于植物多糖的提取。但这 3 种方法均不适用于糖肽，因为糖肽会沉淀出来.2.2色素和多糖的分离 多糖中的色素多为酚类化合物，通常在碱性条件下，以过氧化氢氧化法脱色。 2.3小的极性分子可通过透析法除去. 3.多糖的纯化粗多糖是分子质量极不均匀的混合物，需要进行分级和纯化。纯化的方法有很多，常用的有分步沉淀法、金属离子洛合法、离子交换层析法、凝胶过滤法等。海洋生物多糖的结构分析方法：化学方法有全水解、甲基化、过碘酸盐氧化、Smith降解、乙酰解、部分酸水解等；物理方法主要是光谱方法；生物方法主要是酶解，通过顺序降解阐明一级结构，确定单糖异头构型，从糖复合物中切得完整糖链。4. 海洋藻类特有的色素蛋白是什么？论述其制备方法及应用（20分）。藻胆蛋白 (phycobm proteins)海洋藻类特有的捕光色素蛋白，包括藻红蛋白(phycoerythrin)、藻蓝蛋白(phycocyanin)和别藻蓝蛋白(allphycocyanin)等 ，它们存在于红藻、蓝藻、隐藻和少数的甲藻中。藻胆蛋白的提取和纯化技术 1细胞破碎方法藻胆蛋白是水溶性蛋白，提取比较方便 ，但属于细胞内蛋白，必须要破碎细胞壁和细胞膜，使藻胆蛋白以溶解状态释放出来 ，并保持活性。目前用于藻胆蛋白提取过程中的细胞破碎法主要有以下几种 ：1.1反复冻融法将收集的藻体用蒸馏水洗涤,重新悬浮,在-20以下冰冻,再在5融解,反复几次,利用细胞 内冰粒的形成和盐浓度增高引起溶胀,使细胞破碎。1.2化学试剂处理法用十二烷基磺酸钠(SD S)处理藻体细胞，破坏其细胞膜来提取藻胆蛋白。1.3溶胀法直接用蒸馏水或低盐溶液浸泡藻体细胞,使其溶胀、破裂,释放出藻胆蛋白。1.4 超声波破碎法运用超声波破碎细胞壁使藻胆蛋白溶出该法常作为辅助方法还须与其它方法合用以最大限度破碎细胞。且超声波破碎细胞产热大，多用在实验室小量操作 。1.5 组织捣碎法将材料配成西糊状液,用高速组织捣碎机来破碎藻体细胞。2.提取纯化方法藻胆蛋白粗提液中杂蛋白含量较高,还需进一步纯化。2.1 盐析法通过加入盐溶液使蛋白沉淀析出，在藻胆蛋白粗提中常用的盐溶液为硫酸胺 。用25(W /V )饱和度硫酸胺可将藻红蛋白沉淀出，用30(W /V )饱和度硫酸胺可将藻蓝蛋白沉淀出，用 50(W /V )饱和度硫酸胺可将别藻蓝蛋白沉淀出。2.2结晶法利用不同藻胆蛋白在低浓度硫酸胺中可产生不同晶体的特点,用结晶方法来提取藻胆蛋白。先用硫酸胺盐析,然后将沉淀放置20d以上，再用低饱和度的硫酸胺沉淀可得到藻胆蛋白沉淀,且纯度很高。2.3等电点沉淀法调节溶液pH 至藻胆蛋白等电点,使藻胆蛋白溶解度下降而沉淀析出。但是藻胆蛋白对pH敏感，需注意pH引起藻胆蛋白的变性 。2.4 超滤法运用超滤膜过滤藻胆蛋白粗溶液,制得藻胆蛋白粗制品。2.5 羟基磷石灰(H A )柱层析法此法是通常采用的方法 ,所用洗脱液为梯度浓度的磷酸盐缓冲液,搜集不同离子浓度的洗脱液,浓缩,再进行一次H A柱层析。往往需要经过多次 H A柱层析,再经Sphadex G-100 层析,得单一蛋白溶液。2.6 D EA E-纤维素离子交换柱法先用硅藻土545柱层析,用梯度浓度的 pH 7的硫酸胺溶液分级洗脱,分部搜集,再分别上D E A E-纤维素柱,用磷酸盐缓冲液(pH 6.0)洗脱。洗脱液再经盐析,沉淀,渗析,离心,上清液即为纯化的藻蓝蛋自和别藻蓝蛋白。2.7葡聚糖凝胶柱层析法此法常和其他方法结合使用，在纯化后期常能取得较好的效果。如先用H A柱层析纯化,再用葡聚糖凝胶柱Bio-Gel p300层析可得纯度大于4的藻胆蛋白。最常用的是盐析提取，羟基磷石灰(H A )柱层析纯化的方法，但是该法加入 了化学试剂 ，增加了纯化难度。工业生产中，采用膜分离的方法来提纯较好，此法易于规模化生产，而且将提取和纯化同时进行，操作简便，产品安全无毒，也有利于后期处理 。5. 请论述海洋生物活性物质的种类、提取方法和结构鉴定方法（20分）。种类：1. 海洋动物的活性物质主要有多糖及糖苷类化合物如壳多糖、甲壳胺、海参多糖、鲨鱼软骨多糖