2025年大学《海洋资源与环境》专业题库- 海洋微生物在海洋生物地球化学过程中的作用机制研究

2025年大学《海洋资源与环境》专业题库——海洋微生物在海洋生物地球化学过程中的作用机制研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填涂在答题卡上）1.在海洋生态系统的初级生产中，下列哪种微生物能够直接利用二氧化碳，并通过光合作用固定碳？A.厌氧硫杆菌B.氢化细菌C.蓝细菌D.厌氧甲烷氧化古菌2.海洋氮循环中的一个关键步骤是氮气（N2）的固定，即将大气中的氮气转化为可被大多数生物利用的氨（NH3）或硝酸盐（NO3-）。完成此过程的主要微生物类群是？A.硝化细菌B.反硝化细菌C.固氮细菌/蓝细菌D.硫化细菌3.某些海洋细菌能够利用氢气（H2）和二氧化碳（CO2）作为电子供体和碳源进行化能合成作用。这类微生物主要属于？A.厌氧产甲烷古菌B.厌氧硫酸盐还原菌C.硫化氢氧化菌D.无机化能自养菌4.在海洋缺氧环境中，某些微生物通过“铁硫氧化还原”过程驱动能量代谢。这个过程通常涉及？A.氧气的直接参与B.利用铁或硫化合物作为电子传递链的组分C.依赖于光合作用提供能量D.主要发生在好氧层5.海洋磷循环中，从溶解态磷酸盐（PO4^3-）转化为生物可利用形态的过程称为？A.硝化作用B.反硝化作用C.磷的溶解作用D.磷的固持作用6.“生物碳泵”是海洋碳循环的重要组成部分，其核心机制之一是某些浮游植物（如蓝细菌）能够合成并释放富含碳的复杂有机颗粒。这个过程主要发生在？A.海洋表层光照充足的区域B.海洋深层黑暗区域C.海洋沉积物界面D.海洋中上层垂直混合层7.厌氧氨氧化（Anammox）过程是某些微生物在厌氧条件下，将氨（NH3）和硝酸盐（NO3-）直接转化为氮气（N2）的过程。这一过程对全球氮循环有何重要意义？A.是大气氮固定的主要途径B.是海洋中氮损失的主要途径之一C.是将有机氮转化为无机氮的主要途径D.主要发生在好氧水体中8.分子生态学技术，如高通量测序分析16SrRNA基因序列，在研究海洋微生物作用机制中的主要应用是？A.直接培养和分离特定功能的微生物B.评估特定环境条件下功能微生物群落的组成和丰度C.完全破译所有海洋微生物的基因组序列D.精确测量单个微生物的代谢速率9.全球气候变化导致的海洋酸化（海水pH降低）会影响哪些海洋微生物的功能？A.降低钙化生物（如珊瑚、贝类）形成碳酸钙骨骼的效率B.改变某些酶（如碳酸酐酶）的活性和微生物的代谢速率C.增强某些固氮微生物的活性D.以上都是10.在研究海洋微生物如何降解石油烃这一环境污染物时，理解其作用机制对于开发有效的生物修复技术至关重要。微生物降解石油烃的作用机制通常涉及？A.利用石油烃作为唯一的碳源和能源进行生长B.产生特定的酶（如加氧酶、裂解酶）来改变石油烃分子结构C.主要通过物理吸附作用去除石油烃D.依赖于共生微生物的帮助二、简答题（每小题5分，共20分。请将答案写在答题纸上）1.简述海洋中硝化作用的两个主要步骤及其涉及的关键微生物类群。2.比较海洋中化能自养微生物和光合自养微生物在获取能量和碳源方面的主要区别。3.简述溶解有机物（DOM）在海洋生物地球化学循环中转化的两种主要途径（途径名称及简要说明）。4.海洋微生物群落的功能多样性对其在生物地球化学过程中的作用有何影响？请简述。三、论述题（每小题10分，共30分。请将答案写在答题纸上）1.深入阐述蓝细菌在海洋碳循环中扮演的关键角色及其主要的生物地球化学机制。2.论述海洋硫循环中微生物作用机制的复杂性，并举例说明硫化物氧化还原过程在不同海洋环境（如黑烟囱、缺氧区）中的重要性。3.结合具体的研究实例或方法（如稳定同位素技术、分子标记技术等），论述如何研究特定海洋微生物在复杂地球化学过程中的具体作用机制。试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填涂在答题卡上）1.C2.C3.D4.B5.A6.A7.B8.B9.D10.B二、简答题（每小题5分，共20分。请将答案写在答题纸上）1.硝化作用：是指氨氮（NH4+）氧化为亚硝酸盐（NO2-），再氧化为硝酸盐（NO3-）的两个连续过程。*第一步：氨氧化（AmmoniaOxidation），主要涉及氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）。反应式：NH4++O2→NO2-+H2O+H+*第二步：亚硝酸盐氧化（NitriteOxidation），主要涉及亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和亚硝酸盐氧化古菌（NOOA）。反应式：NO2-+O2→NO3-*关键微生物类群：氨氧化细菌/古菌（AOB/AOA）、亚硝酸盐氧化细菌/古菌（NOB/NOOA）。2.化能自养微生物：利用无机化合物（如H2,CO2,硫化物,硅酸盐等）的氧化释放的能量来合成有机物，碳源通常是CO2。例如，利用H2和CO2的硫氧化细菌。光合自养微生物：利用光能作为能量来源，以CO2或有机碳（如CO）作为碳源合成有机物。例如，蓝细菌、海洋绿藻、硅藻等。主要区别：*能量来源：化能自养利用无机物氧化释放的能量；光合自养利用光能。*碳源：化能自养通常为CO2；光合自养也为CO2，但部分可利用有机碳。*生态位：化能自养常见于特殊环境（如深海热泉、缺氧区）；光合自养主要在光照充足的海表层。3.DOM转化途径：*微生物异化分解作用（MicrobialHeterotrophicDecomposition）：这是DOM被微生物群落分解的主要途径。微生物（主要是细菌和真菌）利用DOM作为碳源和能源进行生长繁殖，将其分解为更小分子量的有机物或无机物（如CO2,H2O,NO3-,PO4^3-等）。这是维持海洋碳循环和元素平衡的关键过程。*微生物同化作用/生物合成作用（MicrobialAssimilation/Biogenesis）：微生物利用部分DOM作为碳源和构建单元，合成自身细胞物质（如蛋白质、脂质、核酸等），或合成具有生物活性的次级代谢产物。4.功能多样性影响：海洋微生物群落的功能多样性是指群落中存在的不同代谢功能的总和。其影响：*提高系统稳定性和韧性：功能多样性意味着群落具备更广泛的代谢能力，能够适应环境变化（如营养盐波动、氧化还原条件改变），某些功能缺失时，其他功能可能代偿，维持系统整体稳定性。*促进物质循环效率：丰富的功能多样性使得各种有机物和无机物能够被更有效地分解、转化和利用，加速物质循环速率。*增强环境适应能力：群落能够利用更广泛的环境资源，适应不同生态位，甚至在极端环境中发挥作用。*影响生态系统服务功能：微生物功能多样性是海洋生产力、碳汇能力、生物降解、养分再生等生态系统服务功能的基础。多样性丧失可能导致这些功能退化。三、论述题（每小题10分，共30分。请将答案写在答题纸上）1.蓝细菌在海洋碳循环中的关键角色与机制：*关键角色：蓝细菌是海洋中的主要光合自养生物之一，尤其在热带和亚热带表层海域以及特定高生产力区域（如上升流、内波混合区）扮演重要角色。它们是海洋初级生产力的主要贡献者，也是全球碳循环的重要参与者。*主要机制：*光合固碳：通过光合作用将大气中的CO2转化为有机碳（生物量），储存碳，减少大气CO2浓度，贡献于全球碳汇。其光合作用效率高，能在特定光照和营养条件下快速生长。*生物碳泵（BiologicalCarbonPump）：蓝细菌（特别是大型蓝细菌聚集体或生物膜）能合成并释放富含碳的颗粒有机物（如聚羟基脂肪酸酯PHAs、糖类聚合物等），这些颗粒沉降到深海或沉积物中，将碳从表层水体输送到深海，实现碳的长期储存。*氮循环贡献：许多蓝细菌能进行固氮作用，将大气N2转化为氨（NH3），为海洋生态系统提供必需的氮素营养，促进初级生产力。部分蓝细菌也能进行光合放氧或厌氧代谢。*铁循环影响：蓝细菌的生长需要铁，其聚集和活动可以影响表层海洋的铁的生物有效性和化学循环。2.海洋硫循环中微生物作用机制的复杂性及重要性：*机制复杂性：海洋硫循环涉及多种元素（硫、氧、氢、碳）的氧化还原转化，参与者包括细菌、古菌以及部分原生生物。反应途径多样且相互关联，包括硫酸盐还原（SO4^2-→H2S）、硫化物氧化（H2S→SO4^2-）、单质硫氧化还原（S0氧化或还原）、硫代硫酸盐氧化还原等。这些过程常与碳、氮、铁等其他元素循环紧密耦合。不同微生物利用不同的电子受体（如SO4^2-,NO3-,O2）和电子供体（如H2S,H2,S0,DOM），在特定环境条件下（如氧化还原梯度、化学梯度）驱动硫循环的各个环节。*重要性举例：*深海热液喷口/冷泉：在这些极端环境中，微生物利用硫化氢（H2S）或单质硫（S0）作为能量来源进行化能自养，氧化还原过程剧烈，形成独特的化学景观和生物群落，是研究生命起源和极端环境生物地球化学循环的重要场所。*海洋缺氧区（OMZ）：在缺氧水体中，硫酸盐还原菌是主要的耗氧生物，消耗大部分硫酸盐，并可能产生硫化氢。硫化氢的积累或进一步氧化（如有硫化物氧化菌存在）对局部化学环境和其他生物（如鱼类、底栖生物）有重要影响。反硝化细菌和厌氧氨氧化古菌在此区域也参与硫循环（通过消耗硝酸盐）。*全球硫循环：海洋是大气硫酸盐的主要汇，海洋微生物在硫酸盐的固定、转化和返回大气的过程中起着关键作用，影响着全球气候（硫酸盐气溶胶的凝结核效应）。3.研究特定海洋微生物在地球化学过程中的作用机制：*研究方法与实例：*培养技术：从环境中分离目标微生物，在可控条件下（实验室）研究其具体的代谢途径、酶活性、基因功能。例如，通过纯培养研究特定细菌降解污染物（如多氯联苯PCBs）的详细酶促机制和中间产物。*稳定同位素技术：利用不同同位素（如¹⁵N,¹³C,³⁵S,³²P）示踪，追踪特定元素在生态系统和微生物体内的转移路径和速率。例如，使用¹⁵N标记的氨或硝酸盐，研究固氮微生物或不同硝化步骤的贡献；使用¹³C标记的CO2，研究光合微生物对碳的固定。*分子生态学技术：*宏基因组学（Metagenomics）：对环境样品中的所有微生物基因组进行测序和分析，无需培养即可发现潜在的代谢功能基因（如降解基因、转运蛋白基因、酶结构域），并研究功能基因的多样性和丰度。例如，通过分析沉积物宏基因组中的硫氧化还原相关基因（如sox基因簇），推断该区域硫循环的主要微生物驱动因素。*宏转录组学（Metatranscriptomics）：分析环境样品中的总RNA（主要是mRNA），揭示在特定时间、空间条件下实际活跃的微生物功能。可以了解哪些基因被表达，从而确定微生物的优势代谢活动。例如，通过比较不同营养盐条件下的海洋样品宏转录组，发现特定细菌在氮限制或磷限制下上调表达的固氮或磷获取基因。*16S/18SrRNA基因测序：定量评估特定功能微生物类群（如特定功能的细菌/古菌）的群落组成和丰度，结合其他技术推断其生态功能。例如，通过16SrRNA测序确定缺氧区亚硝酸盐氧化古菌（AOA）的相对丰度，评估其在反硝化过程中的潜在贡献。*基因编辑/合成生物学：（前沿方法）在模式微生物中敲除或改造关键功能基因，研究该基因在特定地球化学过程中的作用